在现代操作系统中,往往很多时候并不需要去执行cpu密集型的任务,而每当这个时候,如果去持续的执行循环去等待新的任务发过来,那需要消耗巨大的能量。所以设计人员设计出一种空闲状态以此CPU进入低功耗模式。在Linux系统中,系统中的程序在CPU上运行,当执行完成后便让出CPU,而这个时候CPU无需执行任何程序,并且也没有任何中断、异常信号发过来,CPU便会进入一种空闲的状态,一般称这种状态为cpu idle状态。
一、 CPU idle 框架概述
CPU idle框架主要分为cpu idle governor,cpu idle driver,cpu idle core。
cpu idle governor,cpu idle driver,cpu idle core三者的关系如下图所示:
CPU调度器发现没有任务在运行时,会切换到idle进程,通过cpuidle_idle_call接口调到cpuidle framework中,cpuidle framework内部会选择适当的策略在决定进入哪种状态,然后回调到driver端实现。
当CPU进入idle状态后,CPU将停止时钟并且部分硬件将会停止使用,以此来减少CPU所消耗的能量。但是在这种情况下,该CPU的性能会受到很大限制。控制好CPU如何进入/退出CPU idle深度(即C state)是CPU idle子系统中一个关键点。
C state根据不同的深度会存在不同的退出延迟和功耗,如下图所示
本文主要是对CPU idle governor的一个粗略介绍。本文所有代码选自Linux Kernel5.0.7。
二、 CPU idle 进入/退出流程简述
Linux系统启动的时候,会在每一个CPU上创建对应的cpu idle线程。系统初始化完成后,将init线程转化为idle线程。在init/main.c中start_cpu()函数最后会调用 arch_call_rest_init()将init进程转化为idle进程,最终进入到cpu_startup_entry()中进入到无限的idle loop中。
在do_idle()中,代码会不断地轮询,判断当前系统是否需要调度,如果系统当前不需要调度,则进入到idle状态。
do_idle()->cpuidle_idle_call()->cpuidle_select()
进入cpuidle流程后,会根据系统中对应governor策略进而选择不同的idle state。
系统在选择完idle state后,还会调用cpuidle_reflect()将选取过程中一些信息和结果保留下来,以备下一次选取使用。
在进入idle状态后,CPU会调用WFI指令(wait for interrupt),直到有中断到来,系统就会退出idle状态。
三、CPU idle governor
1.综述
在实际CPU运行环境中,不同的CPU他们对idle状态的需求和进入/退出方法会存在差别,而这其中功耗和退出延迟成为了在idle调度过程一组不可调和的矛盾,如何保证在满足性能需求的前提下尽可能的节省功耗成了CPU idle子系统的一个重要组成部分。CPU idle governor在整个CPU idle子系统中负责提供如何使用CPU idle的策略。
内核中提供了两种策略:Menu和Ladder。选择哪种调度器,取决于内核的配置,其中关键点是系统调度的tick是否可以被空闲循环停止。在系统初始化过程中,menu和ladder分别通过cpuidle_register_governor()注册到系统中。
ladder governor会首先进入最浅的idle state,然后如果待的时间足够长,则会进入到更深一级的idle state,以此类推,直到到达最深的idle state。当被唤醒时,会尽可能快地重新启动CPU;等到下次空闲,则又会从idle state1开始进入。它往往用于periodic timer tick system。
而在tickless system中,ladder可能会存在没有机会进入到更深一级的idle状态中,引起功耗损失,所以这个时候往往会使用menu调度器。menu调度器则不一定遵守由浅入深的规则,如果深度的idle state更好,那么就会直接进入到深度的idle state。
由于主流系统中常采用tickless system,本文重点介绍menu governor。
对于menu调度器,存在两种决定idle深度(下称C state)的因素
(1)能量平衡点(停留时间)
在进入/退出C state时,系统会消耗一定的能量,所以频繁进出C state不是一件能带来收益的事情,调度器在考虑进入C state的时候,会考虑进入该C state的预计持续时间。
(2)性能影响(系统延迟容忍度)
对于C state来说,退出C state会存在巨大的延迟,这会极大影响性能。因此对于调度器来说,系统越忙,C state就越不能被接受,系统的工作负载也被纳入决策因素中。
而以上两个因素,menu governor的职责具体到实际情况中,便转换为了两个任务:1.预测C state的停留时间。2.计算系统延迟容忍度
在struct cpuidle_state中使用target_residency来记录该C state下的停留时间阈值。在选择过程中,会计算出预计停留时间(predicted_us)和备选的C state中的target_residency进行比较,选取其中满足停留时间大于target_residency的C state。
选取时,先通过pm qos计算出系统此时的系统容忍度(latency_req),接着在所有exit_latency小于latency_req的C state中选择power_usage最小的那个state。
2.核心结构体
C state的结构体如下:
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name:该state 的名称
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desc:该state的简介
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exit_latency:表示退出该state的延迟,单位us
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power_usage:表示该state下的功耗
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target_residency:期望停留时间,单位us
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enter:进入该state的回调函数
menu governor的结构体如下:
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last_state_idx:记录上一次进入的idle深度
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need_update:在系统每次从C state返回时,会调用reflect接口,用于考虑这次state切换的结果,menu governor的reflect接口会将need_update设置为1,在下次进入select时对idle信息进行更新
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tick_wakeup:记录上次退出C状态是否是被tick唤醒
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next_timer_us:记录距离下一个tick到来的时间
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bucket:记录在当前的校正因子的位置
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correction factor:保存校正因子的数组
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intervals、interval_ptr:计算标准差时所采用的停留时间
3.核心函数
menu governor的menu_select()的核心部分如下:
在计算predict的过程中,menu governor会将下一个tick到来的时间点距离此刻的时间(next_timer_us)作为一个基础的predicted_us,并在这个基础上调整。
首先,因为predicted_us并不总是与next_timer_us直接相等,在等待下一个tick的过程很有可能被其他时间所唤醒,所以需要引入校正因子(correction factor)矫正predicted_us。此校正因子从对应的bucket索引中选取。
menu governor使用了一组12组校正因子来预测空闲时间,校正因子的值基于过去predicted_us和next_timer_us的比率,并且采用动态平均算法。另外对于不同的next_timers_us,校正因子的影响程度是不一样的;对于不同的io wait场景,系统对校正因子也有着不同的敏感程度 。
随后尝试通过最近的8个过去的停留时间来查找重复间隔,如果他们的标准差小于一定阈值,则将这8个时间的平均值作为predicted_us。
最后取以上两个流程中的最小值。
对于系统容忍度,menu governor使用性能乘数(performance multiplier)、预计停留时间(predicted)和系统延迟需求(latency requirement)来找出最大退出延迟。系统延迟需求作为第一个系统延迟容忍度;通过公式(1)计算出另外一个系统容忍度:predicted_us / (1 +10 * iowaiters)
*iowaiters指当前cpu上iowait的任务数
取前面两个系统容忍度中最小值作为最小的系统容忍度。
最后根据前面计算出来的两个因素来选取具体的idle state,将计算出的predicted_us与所有idle状态的停留时间进行比较,选择特定idle状态的条件是相应的停留时间应小于predicted_us。另外,将状态的exit_latency与系统的交互性要求进行比较。基于两个等待时间因素,选择适当的空闲状态。
在cpu退出idle状态后,menu governor会将将上一轮的进入idle状态的数据更新到menu driver中,作为下一次select的参数。
下一次进入选择流程时,会先触发更新需求,即进入到menu_update()中
在更新信息时,会尝试算出进入idle状态到被唤醒经历了多长时间。
①如果cpu被tick唤醒,而且上次记录的next_timer_us大于了一个tick的时间,那么governor就假定cpu已经空闲了很长时间,则measured_us为9 * MAX_INTERESTING / 10(INTERESTING=50000)
②如果cpu退出了轮询状态,会导致选择该状态的空闲持续时间不准确,故将next_timer_us作为measured_us
③除此之外,measured_us将使用驱动中记录的上次idle状态中停留时间
算出来之后再减去退出延迟,然后与next_timer_us取最小值,便得出了最终的measured_us。
接下来是计算下一次选择校正因子(correction factor)的值
将上一次的校正因子先衰减一次,然后加上一个predicted_us和next_timer_us的比值
new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;
(RESOLUTION=1024)
最后就可以将这两个值更新到governor的驱动中。
参考资料
[1]https://www.kernel.org/doc/html/v5.0/admin-guide/pm/cpuidle.html
[2]http://www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_menu_governor.html
[3]https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11379937.html
[4]S. Pattanayak and B. Thangaraju, “Linux CPU-Idle Menu Governor with Online Reinforcement Learning and Scheduler Load Balancing Statistics,” 2019 IEEE International Conference on Electronics, Computing and Communication Technologies (CONECCT), Bangalore, India, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/CONECCT47791.2019.9012820.
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