背景
Read the fucking source code!--By 魯迅A picture is worth a thousand words.--By 高爾基
說明：
- Kernel版本：4.14
- ARM64處理器，Contex-A53，雙核
- 使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
組調度（task_group）是使用Linux cgroup(control group)的cpu子系統來實作的，可以將行程進行分組，按組來分配CPU資源等，
比如，看一個實際的例子：
A和B兩個用戶使用同一臺機器，A用戶16個行程，B用戶2個行程，如果按照行程的個數來分配CPU資源，顯然A用戶會占據大量的CPU時間，這對于B用戶是不公平的，組調度就可以解決這個問題，分別將A、B用戶行程劃分成組，并將兩組的權重設定成占比50%即可，
帶寬（bandwidth）控制，是用于控制用戶組（task_group）的CPU帶寬，通過設定每個用戶組的限額值，可以調整CPU的調度分配，在給定周期內，當用戶組消耗CPU的時間超過了限額值，該用戶組內的任務將會受到限制，
由于組調度和帶寬控制緊密聯系，因此本文將探討這兩個主題，本文的討論都基于CFS調度器，開始吧，
2. task_group
- 組調度，在內核中是通過
struct task_group來組織的，task_group本身支持cfs組調度和rt組調度，本文主要分析cfs組調度， - CFS調度器管理的是
sched_entity調度物體，task_struct（代表行程）和task_group（代表行程組）中分別包含sched_entity，進而來參與調度；
關于組調度的相關資料結構，組織如下：
- 內核維護了一個全域鏈表
task_groups，創建的task_group會添加到這個鏈表中； - 內核定義了
root_task_group全域結構，充當task_group的根節點，以它為根構建樹狀結構； struct task_group的子節點，會加入到父節點的siblings鏈表中；- 每個
struct task_group會分配運行佇列陣列和調度物體陣列（以CFS為例，RT調度類似），其中陣列的個數為系統CPU的個數，也就是為每個CPU都分配了運行佇列和調度物體；
對應到實際的運行中，如下：
struct cfs_rq包含了紅黑樹結構，sched_entity調度物體參與調度時，都會掛入到紅黑樹中，task_struct和task_group都屬于被調度物件；task_group會為每個CPU再維護一個cfs_rq，這個cfs_rq用于組織掛在這個任務組上的任務以及子任務組，參考圖中的Group A；- 調度器在調度的時候，比如呼叫
pick_next_task_fair時，會從遍歷佇列，選擇sched_entity，如果發現sched_entity對應的是task_group，則會繼續往下選擇； - 由于
sched_entity結構中存在parent指標，指向它的父結構，因此，系統的運行也能從下而上的進行遍歷操作，通常使用函式walk_tg_tree_from進行遍歷；
2.2 task_group權重
- 行程或行程組都有權重的概念，調度器會根據權重來分配CPU的時間，
- 行程組的權重設定，可以通過
/sys檔案系統進行設定，比如操作/sys/fs/cgoup/cpu/A/shares；
呼叫流程如下圖：
sched_group_set_shares來完成最終的設定；task_group為每個CPU都分配了一個sched_entity，針對當前sched_entity設定更新完后，往上對sched_entity->parent設定更新，直到根節點；shares的值計算與load相關，因此也需要呼叫update_load_avg進行更新計算；
看一下實際的效果圖吧：
- 寫節點操作可以通過
echo XXX > /sys/fs/cgroup/cpu/A/B/cpu.shares； - 橙色的線代表傳入引數指向的物件；
- 紫色的線代表每次更新涉及到的物件，包括三個部分；
- 處理完
sched_entity后，繼續按同樣的流程處理sched_entity->parent；
3. cfs_bandwidth
先看一下/sys/fs/cgroup/cpu下的內容吧：
- 有兩個關鍵的欄位：
cfs_period_us和cfs_quota_us，這兩個與cfs_bandwidth息息相關； period表示周期，quota表示限額，也就是在period期間內，用戶組的CPU限額為quota值，當超過這個值的時候，用戶組將會被限制運行（throttle），等到下一個周期開始被解除限制（unthrottle）；
來一張圖直觀理解一下：
- 在每個周期內限制在
quota的配額下，超過了就throttle，下一個周期重新開始；
3.1 資料結構
內核中使用struct cfs_bandwidth來描述帶寬，該結構包含在struct task_group中，
此外，struct cfs_rq中也有與帶寬控制相關的欄位，
還是來看一下代碼吧：
struct cfs_bandwidth {
#ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH
raw_spinlock_t lock;
ktime_t period;
u64 quota, runtime;
s64 hierarchical_quota;
u64 runtime_expires;
int idle, period_active;
struct hrtimer period_timer, slack_timer;
struct list_head throttled_cfs_rq;
/* statistics */
int nr_periods, nr_throttled;
u64 throttled_time;
#endif
};
- period：周期值；
- quota：限額值；
- runtime：記錄限額剩余時間，會使用quota值來周期性賦值；
- hierarchical_quota：層級管理任務組的限額比率；
- runtime_expires：每個周期的到期時間；
- idle：空閑狀態，不需要運行時分配；
- period_active：周期性計時已經啟動；
- period_timer：高精度周期性定時器，用于重新填充運行時間消耗；
- slack_timer：延遲定時器，在任務出列時，將剩余的運行時間回傳到全域池里；
- throttled_cfs_rq：限流運行佇列串列；
- nr_periods/nr_throttled/throttled_time：統計值；
struct cfs_rq結構中相關欄位如下：
struct cfs_rq {
...
#ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH
int runtime_enabled;
u64 runtime_expires;
s64 runtime_remaining;
u64 throttled_clock, throttled_clock_task;
u64 throttled_clock_task_time;
int throttled, throttle_count;
struct list_head throttled_list;
#endif /* CONFIG_CFS_BANDWIDTH */
...
}
- runtime_enabled：周期計時器使能；
- runtime_expires：周期計時器到期時間；
- runtime_remaining：剩余的運行時間；
3.2 流程分析
3.2.1 初始化流程
先看一下初始化的操作，初始化函式init_cfs_bandwidth本身比較簡單，完成的作業就是將struct cfs_bandwidth結構體行程初始化，
- 注冊兩個高精度定時器：
period_timer和slack_timer； period_timer定時器，用于在時間到期時重新填充關聯的任務組的限額，并在適當的時候unthrottlecfs運行佇列；slack_timer定時器，slack_period周期默認為5ms，在該定時器函式中也會呼叫distribute_cfs_runtime從全域運行時間中分配runtime；start_cfs_bandwidth和start_cfs_slack_bandwidth分別用于啟動定時器運行，其中可以看出在dequeue_entity的時候會去利用slack_timer，將運行佇列的剩余時間回傳給tg->cfs_b這個runtime pool；unthrottle_cfs_rq函式，會將throttled_list中的對應cfs_rq洗掉，并且從下往上遍歷任務組，針對每個任務組呼叫tg_unthrottle_up處理，最后也會根據cfs_rq對應的sched_entity從下往上遍歷處理，如果sched_entity不在運行佇列上，那就重新enqueue_entity以便參與調度運行，這個也就完成了解除限制的操作；
do_sched_cfs_period_timer函式與do_sched_cfs_slack_timer()函式都呼叫了distrbute_cfs_runtime()，該函式用于分發tg->cfs_b的全域運行時間runtime，用于在該task_group中平衡各個CPU上的cfs_rq的運行時間runtime，來一張示意圖：
- 系統中兩個CPU，因此
task_group針對每個cpu都維護了一個cfs_rq，這些cfs_rq來共享該task_group的限額運行時間； - CPU0上的運行時間，淺黃色模塊表示超額了，那么在下一個周期的定時器點上會進行彌補處理；
3.2.2 用戶設定流程
用戶可以通過操作/sys中的節點來進行設定：
- 操作
/sys/fs/cgroup/cpu/下的cfs_quota_us/cfs_period_us節點，最侄訓呼叫到tg_set_cfs_bandwidth函式； tg_set_cfs_bandwidth會從root_task_group根節點開始，遍歷組調度樹，并逐個設定限額比率 ；- 更新
cfs_bandwidth的runtime資訊； - 如果使能了
cfs_bandwidth功能，則啟動帶寬定時器； - 遍歷
task_group中的每個cfs_rq佇列，設定runtime_remaining值，如果cfs_rq佇列限流了，則需要進行解除限流操作；
3.2.3 throttle限流操作
cfs_rq運行佇列被限制，是在throttle_cfs_rq函式中實作的，其中呼叫關系如下圖：
- 調度物體
sched_entity入列時，進行檢測是否運行時間已經達到限額，達到則進行限制處理； pick_next_task_fair/put_prev_task_fair在選擇任務調度時，也需要進行檢測判斷；
3.2.4 總結
總體來說，帶寬控制的原理就是通過task_group中的cfs_bandwidth來管理一個全域的時間池，分配給屬于這個任務組的運行佇列，當超過限額的時候則限制佇列的調度，同時，cfs_bandwidth維護兩個定時器，一個用于周期性的填充限額并進行時間分發處理，一個用于將未用完的時間再回傳到時間池中，大抵如此，
組調度和帶寬控制就先分析到此，下篇文章將分析CFS調度器了，敬請期待，
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標籤：Linux
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