Linux进程调度-组调度及带宽控制

1. 概述

组调度（task_group）是使用Linux cgroup(control group)的cpu子系统来实现的，可以将进程进行分组，按组来分配CPU资源等。

比如，看一个实际的例子：

A和B两个用户使用同一台机器，A用户16个进程，B用户2个进程，如果按照进程的个数来分配CPU资源，显然A用户会占据大量的CPU时间，这对于B用户是不公平的。组调度就可以解决这个问题，分别将A、B用户进程划分成组，并将两组的权重设置成占比50%即可。

带宽（bandwidth）控制，是用于控制用户组（task_group）的CPU带宽，通过设置每个用户组的限额值，可以调整CPU的调度分配。在给定周期内，当用户组消耗CPU的时间超过了限额值，该用户组内的任务将会受到限制。

由于组调度和带宽控制紧密联系，因此本文将探讨这两个主题，本文的讨论都基于CFS调度器，开始吧。

2. task_group

组调度，在内核中是通过struct task_group来组织的，task_group本身支持cfs组调度和rt组调度，本文主要分析cfs组调度。
CFS调度器管理的是sched_entity调度实体，task_struct（代表进程）和task_group（代表进程组）中分别包含sched_entity，进而来参与调度；

关于组调度的相关数据结构，组织如下：

内核维护了一个全局链表task_groups，创建的task_group会添加到这个链表中；
内核定义了root_task_group全局结构，充当task_group的根节点，以它为根构建树状结构；
struct task_group的子节点，会加入到父节点的siblings链表中；
每个struct task_group会分配运行队列数组和调度实体数组（以CFS为例，RT调度类似），其中数组的个数为系统CPU的个数，也就是为每个CPU都分配了运行队列和调度实体；

对应到实际的运行中，如下：

struct cfs_rq包含了红黑树结构，sched_entity调度实体参与调度时，都会挂入到红黑树中，task_struct和task_group都属于被调度对象；
task_group会为每个CPU再维护一个cfs_rq，这个cfs_rq用于组织挂在这个任务组上的任务以及子任务组，参考图中的Group A；
调度器在调度的时候，比如调用pick_next_task_fair时，会从遍历队列，选择sched_entity，如果发现sched_entity对应的是task_group，则会继续往下选择；
由于sched_entity结构中存在parent指针，指向它的父结构，因此，系统的运行也能从下而上的进行遍历操作，通常使用函数walk_tg_tree_from进行遍历；

2.2 task_group权重

进程或进程组都有权重的概念，调度器会根据权重来分配CPU的时间。
进程组的权重设置，可以通过/sys文件系统进行设置，比如操作/sys/fs/cgoup/cpu/A/shares；

调用流程如下图：

sched_group_set_shares来完成最终的设置；
task_group为每个CPU都分配了一个sched_entity，针对当前sched_entity设置更新完后，往上对sched_entity->parent设置更新，直到根节点；
shares的值计算与load相关，因此也需要调用update_load_avg进行更新计算；

看一下实际的效果图吧：

写节点操作可以通过echo XXX > /sys/fs/cgroup/cpu/A/B/cpu.shares；
橙色的线代表传入参数指向的对象；
紫色的线代表每次更新涉及到的对象，包括三个部分；
处理完sched_entity后，继续按同样的流程处理sched_entity->parent

3. cfs_bandwidth

先看一下/sys/fs/cgroup/cpu下的内容吧：

有两个关键的字段：cfs_period_us和cfs_quota_us，这两个与cfs_bandwidth息息相关；
period表示周期，quota表示限额，也就是在period期间内，用户组的CPU限额为quota值，当超过这个值的时候，用户组将会被限制运行（throttle），等到下一个周期开始被解除限制（unthrottle）；

来一张图直观理解一下：

在每个周期内限制在quota的配额下，超过了就throttle，下一个周期重新开始；

3.1 数据结构

内核中使用struct cfs_bandwidth来描述带宽，该结构包含在struct task_group中。

此外，struct cfs_rq中也有与带宽控制相关的字段。

还是来看一下代码吧：



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：限额值；
runtime：记录限额剩余时间，会使用quota值来周期性赋值；
hierarchical_quota：层级管理任务组的限额比率；
runtime_expires：每个周期的到期时间；
idle：空闲状态，不需要运行时分配；
period_active：周期性计时已经启动；
period_timer：高精度周期性定时器，用于重新填充运行时间消耗；
slack_timer：延迟定时器，在任务出列时，将剩余的运行时间返回到全局池里；
throttled_cfs_rq：限流运行队列列表；
nr_periods/nr_throttled/throttled_time：统计值；

struct cfs_rq结构中相关字段如下：



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：周期计时器使能；
runtime_expires：周期计时器到期时间；
runtime_remaining：剩余的运行时间；

3.2 流程分析

3.2.1 初始化流程

先看一下初始化的操作，初始化函数init_cfs_bandwidth本身比较简单，完成的工作就是将struct cfs_bandwidth结构体进程初始化。

注册两个高精度定时器：period_timer和slack_timer；
period_timer定时器，用于在时间到期时重新填充关联的任务组的限额，并在适当的时候unthrottlecfs运行队列；

slack_timer定时器，slack_period周期默认为5ms，在该定时器函数中也会调用distribute_cfs_runtime从全局运行时间中分配runtime；
start_cfs_bandwidth和start_cfs_slack_bandwidth分别用于启动定时器运行，其中可以看出在dequeue_entity的时候会去利用slack_timer，将运行队列的剩余时间返回给tg->cfs_b这个runtime pool；
unthrottle_cfs_rq函数，会将throttled_list中的对应cfs_rq删除，并且从下往上遍历任务组，针对每个任务组调用tg_unthrottle_up处理，最后也会根据cfs_rq对应的sched_entity从下往上遍历处理，如果sched_entity不在运行队列上，那就重新enqueue_entity以便参与调度运行，这个也就完成了解除限制的操作；

do_sched_cfs_period_timer函数与do_sched_cfs_slack_timer()函数都调用了distrbute_cfs_runtime()，该函数用于分发tg->cfs_b的全局运行时间runtime，用于在该task_group中平衡各个CPU上的cfs_rq的运行时间runtime，来一张示意图：

系统中两个CPU，因此task_group针对每个cpu都维护了一个cfs_rq，这些cfs_rq来共享该task_group的限额运行时间；
CPU0上的运行时间，浅黄色模块表示超额了，那么在下一个周期的定时器点上会进行弥补处理；

3.2.2 用户设置流程

用户可以通过操作/sys中的节点来进行设置：

操作/sys/fs/cgroup/cpu/下的cfs_quota_us/cfs_period_us节点，最终会调用到tg_set_cfs_bandwidth函数tg_set_cfs_bandwidth会从root_task_group根节点开始，遍历组调度树，并逐个设置限额比率；
更新cfs_bandwidth的runtime信息；
如果使能了cfs_bandwidth功能，则启动带宽定时器；
遍历task_group中的每个cfs_rq队列，设置runtime_remaining值，如果cfs_rq队列限流了，则需要进行解除限流操作；

3.2.3 throttle限流操作

cfs_rq运行队列被限制，是在throttle_cfs_rq函数中实现的，其中调用关系如下图：

调度实体sched_entity入列时，进行检测是否运行时间已经达到限额，达到则进行限制处理；
pick_next_task_fair/put_prev_task_fair在选择任务调度时，也需要进行检测判断；

3.2.4 总结

总体来说，带宽控制的原理就是通过task_group中的cfs_bandwidth来管理一个全局的时间池，分配给属于这个任务组的运行队列，当超过限额的时候则限制队列的调度。同时，cfs_bandwidth维护两个定时器，一个用于周期性的填充限额并进行时间分发处理，一个用于将未用完的时间再返回到时间池中，大抵如此。