还是神奇的进程调度问题引发的,参看Linux进程组调度机制分析,组调度机制是看清楚了,发现在重启过程中,很多内核调用栈阻塞在了double_rq_lock函数上,而double_rq_lock则是load_balance触发的,怀疑当时的核间调度出现了问题,在某个负责场景下产生了多核互锁,后面看了一下CPU负载平衡下的代码实现,写一下总结。

内核代码版本:kernel-3.0.13-0.27。

内核代码函数起自load_balance函数,从load_balance函数看引用它的函数可以一直找到schedule函数这里,便从这里开始往下看,在__schedule中有下面一句话。

从上面可以看出什么时候内核会尝试进行CPU负载平衡:即当前CPU运行队列为NULL的时候。
CPU负载平衡有两种方式:pull和push,即空闲CPU从其他忙的CPU队列中拉一个进程到当前CPU队列;或者忙的CPU队列将一个进程推送到空闲的CPU队列中。idle_balance干的则是pull的事情,具体push下面会提到。
在idle_balance里面,有一个proc阀门控制当前CPU是否pull:

sysctl_sched_migration_cost对应proc控制文件是/proc/sys/kernel/sched_migration_cost,开关代表如果CPU队列空闲了500us(sysctl_sched_migration_cost默认值)以上,则进行pull,否则则返回。
for_each_domain(this_cpu, sd) 则是遍历当前CPU所在的调度域,可以直观的理解成一个CPU组,类似task_group,核间平衡指组内的平衡。负载平衡有一个矛盾就是:负载平衡的频度和CPU cache的命中率是矛盾的,CPU调度域就是将各个CPU分成层次不同的组,低层次搞定的平衡就绝不上升到高层次处理,避免影响cache的命中率。

图例如下;
oenhan_sched_domain

最终通过load_balance进入正题。

首先通过find_busiest_group获取当前调度域中的最忙的调度组,首先update_sd_lb_stats更新sd的状态,也就是遍历对应的sd,将sds里面的结构体数据填满,如下:

决定选择调度域中最忙的组的参照标准是该组内所有 CPU上负载(load) 的和, 找到组中找到忙的运行队列的参照标准是该CPU运行队列的长度, 即负载,并且 load 值越大就表示越忙。在平衡的过程中,通过比较当前队列与以前记录的busiest 的负载情况,及时更新这些变量,让 busiest 始终指向域内最忙的一组,以便于查找。
调度域的平均负载计算

在比较负载大小的过程中, 当发现当前运行的CPU所在的组中busiest为空时,或者当前正在运行的 CPU队列就是最忙的时, 或者当前 CPU队列的负载不小于本组内的平均负载时,或者不平衡的额度不大时,都会返回 NULL 值,即组组之间不需要进行平衡;当最忙的组的负载小于该调度域的平均负载时,只需要进行小范围的负载平衡;当要转移的任务量小于每个进程的平均负载时,如此便拿到了最忙的调度组。
然后find_busiest_queue中找到最忙的调度队列,遍历该组中的所有 CPU 队列,经过依次比较各个队列的负载,找到最忙的那个队列。

通过上面的计算,便拿到了最忙队列。
当busiest->nr_running运行数大于1的时候,进行pull操作,pull前对move_tasks,先进行double_rq_lock加锁处理。

move_tasks进程pull task是允许失败的,即move_tasks->balance_tasks,在此处,有sysctl_sched_nr_migrate开关控制进程迁移个数,对应proc的是/proc/sys/kernel/sched_nr_migrate。
下面有can_migrate_task函数检查选定的进程是否可以进行迁移,迁移失败的原因有3个,1.迁移的进程处于运行状态;2.进程被绑核了,不能迁移到目标CPU上;3.进程的cache仍然是hot,此处也是为了保证cache命中率。

判断进程cache是否有效,判断条件,进程的运行的时间大于proc控制开关sysctl_sched_migration_cost,对应目录/proc/sys/kernel/sched_migration_cost_ns

在load_balance中,move_tasks返回失败也就是ld_moved==0,其中sd->nr_balance_failed++对应can_migrate_task中的"too many balance attempts have failed",然后busiest->active_balance = 1设置,active_balance = 1。

push整个触发操作代码机制比较绕,stop_one_cpu_nowait把active_load_balance_cpu_stop添加到cpu_stopper每CPU变量的任务队列里面,如下:

而cpu_stopper则是cpu_stop_init函数通过cpu_stop_cpu_callback创建的migration内核线程,触发任务队列调度。因为migration内核线程是绑定每个核心上的,进程迁移失败的1和3问题就可以通过push解决。active_load_balance_cpu_stop则调用move_one_task函数迁移指定的进程。

上面描述的则是整个pull和push的过程,需要补充的pull触发除了schedule后触发,还有scheduler_tick通过触发中断,调用run_rebalance_domains再调用rebalance_domains触发,不再细数。


Linux内核CPU负载均衡机制来自于OenHan

链接为:http://oenhan.com/cpu-load-balance

8 对 “Linux内核CPU负载均衡机制”的想法;

  1. hi OenHan,请教一个问题,kernel中的steal time,是否会影响到run queue的work load,进而影响到cpu的load balance

  2. @OenHan
    如果不计入run queue的work load,
    steal time被用过多,那么kernel对cpu之间的load balance岂不是参考标准就乱了
    比如,
    kernel认为cpu 3 负载很低,但是由于steal time太多,真实的cpu 3本身负载相当高了,
    此时kernel依旧会往cpu 3上加task,导致更大的不公平,影响到任务调度

  3. @shankun.wang
    steal time是虚拟化使用的时候,此时的说的“真实的cpu 3本身负载相当高”是指hypervisor物理CPU高,而对于guest中使用cpu 3的vcpu负载并不高,而调度是guest的调度,不是hypervisor的调度,不存在你说的问题

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