Linux内核之进程4:CPU的负载均衡

Love The Way You Lie 2022-12-01 11:47 321阅读 0赞

## 1.线程的负载均衡 ##

对task\_struct做负载均衡；

分布式系统中，linux的每个核都自动以劳动为乐，(共产主义社会)。

**分别对RT任务和普通线程做负载均衡**：

RT任务：将n个优先级最高的线程自动分配到n个核；

pull_rt_task()
    push_rt_task()

普通任务：

周期性负载均衡，在时钟tick会检查哪个核空闲，优先使空闲核工作(从负载重的核pull任务，或push任务给空闲核，每个CPU以劳动为乐)；

idle时负载均衡；某个核进入idle状态，会主动pull任务执行；

fork和exec时负载均衡；创建的新进程，会放到最闲的核去跑；

**软亲和性（affinity)** Linux 内核进程调度器天生就具有被称为软 CPU  
亲和性（affinity）的特性，这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移。这种状态正是我们希望的，因为进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。

**硬亲和性（affinity）：** 就是利用linux内核提供给用户的API，强行将进程或者线程绑定到某一个指定的cpu核运行。

**需要绑定CPU的原因：**

1.提高cache命中率；

2.在一些非对称CPU，比如NUMA中，防止一个CPU去另外一个插槽的内存读写数据；

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也可以用taskset工具设置：-a 所有线程

pidof ./a.out

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进程a.out占用CPU800%(八核)

![blog.csdnimg.cn/2020082617385255.png\#pic\_center)][blog.csdnimg.cn_2020082617385255.png_pic_center]

设置只在2号核跑

taskset -a -p 02 554

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NidR298g-1598434477162)(media/b1e199c95c9d8761ac4fcb1210dd3530.png)\]][img-NidR298g-1598434477162_media_b1e199c95c9d8761ac4fcb1210dd3530.png]

CPU占有率降至100%，所有线程只在2号核上跑；

## 2.中断负载均衡 ##

负载除了进程还有中断，执行完中断，才会去执行task\_struct任务；

硬件中断一般比较短(linux2.6.34后内核不支持中断嵌套)，比如网卡收包，在硬中断接收完包，会调用软中断(处理tcp/ip包，软中断可以嵌套)，软中断结束后，会调用vtime最小的线程；

top命令的hi表示硬中断时间(isr，屏蔽中断)，si表示软中断，

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当网络流量大的时候，CPU花在硬中断和软中断时间比较多，这时候需要做中断的负载均衡；

现在新网卡一般有多个队列，假如在一个4核的系统，网卡有4个队列，每个队列可以单独产生中断，硬件支持负载均衡；那么可以将一个队列绑定到一个核，这样，所有CPU都会参与网卡发送包服务；

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设定方法：将每个中断号，分别设置affinity，绑定到指定CPU

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hzs8dbVH-1598434477167)(media/dff1b11c1711d8108196f1298f6906d0.png)\]][img-hzs8dbVH-1598434477167_media_dff1b11c1711d8108196f1298f6906d0.png]

cat /proc/interrupts |grep ‘enp’

124: 0 0 0 0 0 0 0 34 415207449 PCI-MSI 1572864-edge enp3s0

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Vw8pb6le-1598434477168)(media/420f618cee58dc40f482e0cbe7006d2f.png)\]][img-Vw8pb6le-1598434477168_media_420f618cee58dc40f482e0cbe7006d2f.png]

sudo sh -c “echo 3 > /proc/irq/124/smp\_affinity”

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AIGoy9Nx-1598434477169)(media/67b4cbc315f0f874e7af4a0d605a813a.png)\]][img-AIGoy9Nx-1598434477169_media_67b4cbc315f0f874e7af4a0d605a813a.png]

有的网卡只有一个队列：单个核抛出的软中断只能在这个核跑，那么一个队列抛出的软中断(tcp/ip层处理)只能在这一个核执行，其他核会空闲；

测试：

客户端：$ echo “不要回答！不要回答！不要回答！” | nc 10.10.100.16 1235

服务端：$ nc -l -p 1235

## 3 RPS补丁 ##

Google推出了rps补丁，可以把TCP/IP协议栈的处理，均衡到多个核上去，这个技术叫RPS；

比如我手头板子是单个网卡队列收包，默认是单核上执行

#cat /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus

收包只在CPU0上执行

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qXBmmozG-1598434477170)(media/0026c188b5f6ca6e5b63354058586b27.jpg)\]][img-qXBmmozG-1598434477170_media_0026c188b5f6ca6e5b63354058586b27.jpg]

nc -l -p 1235

监听1235端口收到数据时，只有CPU0继续增加；

**多核间的softIRQ scaling**

设置rps在CPU0/1上均衡

echo 3 > /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus
    
    watch –d “cat /proc/softirqs | grep NET_RX”

/proc/interrupt

/proc/softirq

分别查看硬中断和软中断次数

top +1显示多核的负载

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由上可以看到CPU0/1都开始处理网络接收包

**经实验得出结论**：

1.  硬中断绑定的CPU核，一定会响应softirqs，不管对应rps\_cpus位设置与否；

2.当rps\_cpus位设置时，对应CPU核会响应softirqs；

RPS原理：由单一CPU核响应硬件中断，将大量网络接收包，通过多核间中断方式分发给其他空闲核，如下网络图清晰说明情况

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-A1iV8sIa-1598434477171)(media/8605b2ff372d6a32e0ed714ea9005a54.jpg)\]][img-A1iV8sIa-1598434477171_media_8605b2ff372d6a32e0ed714ea9005a54.jpg]

上图引用自[https://blog.csdn.net/dog250/article/details/46705657][https_blog.csdn.net_dog250_article_details_46705657]

## 4.linux不是硬实时系统： ##

硬实时：满足可预期，非一定越快越好，强调的是截止期限的可预期性；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KbZbHb2V-1598434477172)(media/15915128959344eb2f476a0074a59997.png)\]][img-KbZbHb2V-1598434477172_media_15915128959344eb2f476a0074a59997.png]

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nOFzVK0M-1598434477172)(media/177819b33a9db50544ecfca74cb7bc26.png)\]][img-nOFzVK0M-1598434477172_media_177819b33a9db50544ecfca74cb7bc26.png]

Linux的设计决定了她不是硬实时系统，有些情况(比如spin\_lock)不可抢占，其不可预期，是软实时系统；

用什么系统由场景决定，并非硬实时一定优于软实时。

Linux的抢占算法演变，越新的内核支持抢占越多；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6F1uEAkM-1598434477173)(media/335b8d378fe8e572d936e331de95125a.png)\]][img-6F1uEAkM-1598434477173_media_335b8d378fe8e572d936e331de95125a.png]

Linux的CPU消耗主要分以下几种：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wLYdujqN-1598434477174)(media/4b24fec5cb71daf4fe1ec5f22fdb957c.png)\]][img-wLYdujqN-1598434477174_media_4b24fec5cb71daf4fe1ec5f22fdb957c.png]

内核态的spin\_lock，是自旋锁，用户态不是；

1,2,3都不可抢占，所以linux不是一个硬实时系统，**硬实时系统要求任何时刻都可以抢占**。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qIORGrpo-1598434477175)(media/e36e3bb4aeb89684a92d0a0506c6e74b.png)\]][img-qIORGrpo-1598434477175_media_e36e3bb4aeb89684a92d0a0506c6e74b.png]

T3时刻唤醒一个更高优先级RT线程,  
RT线程只能到T5时刻(硬中断，软中断都执行完，并且释放spin\_lock之后)才能抢占，等待时间是未知的。

要解决linux硬实时性，需要打rt补丁，

补丁不在mainline中，维护网站;

[https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/start][https_wiki.linuxfoundation.org_realtime_start]

[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/rt/linux-stable-rt.git/][https_git.kernel.org_pub_scm_linux_kernel_git_rt_linux-stable-rt.git]

rt补丁

将所有中断线程化，

去掉软中断，

spin\_lock改成mutex实现，即系统中只有上图第4类进程，任何线程都可以被抢占；

使延迟变为可预期，即成为硬实时系统。

不是每一个内核版本都有相应rt补丁。

rt可以将linux延迟做到100us量级(1G CPU)，同时吞吐会下降。

打上补丁后如下图

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9WeLt5WL-1598434477175)(media/8a81a05de77d1106d9d304200e6ed7e4.png)\]][img-9WeLt5WL-1598434477175_media_8a81a05de77d1106d9d304200e6ed7e4.png]

Server:不抢占

Desktop: kernel不抢占

Low-Latency Destktop：手机用，kernel也抢占

Real-Time：完全抢占；

调度器实时后，linux还不一定实时，有无数内存坑，比如内存管理部分，ROW，写内存时发现内存尚未分配，此时无法保持实时性。

其他方法：

同时运行两个系统，实时任务放在RTOS跑，非实时任务放在Linux跑。

比如单反，一般用两个系统，传统拍照用实时系统，涉及网络相关任务放在linux，利用linux强大的网络协议栈。

## 5.Deadline调度算法 ##

[https://elinux.org/images/f/fe/Using\_SCHED\_DEADLINE.pdf][https_elinux.org_images_f_fe_Using_SCHED_DEADLINE.pdf]

如下场景需求，系统有两个任务，核电站任务要求运行1/2s, 洗衣机要求运行20ms/200ms;

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QbtYYMD8-1598434477176)(media/3348d1c02a47687260783f927096db9f.png)\]][img-QbtYYMD8-1598434477176_media_3348d1c02a47687260783f927096db9f.png]

用传统RT或CFS调度算法，必须设置洗衣机优先级更高才能满足需求。(核电站优先级更高将独占CPU超过0.5s,  
下一个周期无法满足CPU需求)

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bsUZfTS0-1598434477177)(media/57adde06823a584d8e81b01f51305901.png)\]][img-bsUZfTS0-1598434477177_media_57adde06823a584d8e81b01f51305901.png]

但当系统有多个任务，比如核电站要求800ms周期内必须跑500ms，洗碗机要求300/900ms,  
洗衣机要求100/800ms：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-m2fq0PZD-1598434477177)(media/0b4ca210392d6ac1879eec32f7277bd9.png)\]][img-m2fq0PZD-1598434477177_media_0b4ca210392d6ac1879eec32f7277bd9.png]

总的CPU消耗是小于100%的。但是按照传统RR算法，无法满足调度需求；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZkAlqNId-1598434477178)(media/7deda790debaa20accc7daf27536c85c.png)\]][img-ZkAlqNId-1598434477178_media_7deda790debaa20accc7daf27536c85c.png]

Linux提供了一个Rate Monotonic Scheduling：

**Deadline调度算法思想**：当产生一个调度点的时候，DL调度器总是选择其Deadline距离当前时间点最近的那个任务并调度它执行，谁更紧急，谁先跑；

Deadline需要设置三个参数，周期Period，Deadline, Runtime

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Rp3aSvqj-1598434477179)(media/1876c8bcd26856e1bfc8ff3c0852caf1.png)\]][img-Rp3aSvqj-1598434477179_media_1876c8bcd26856e1bfc8ff3c0852caf1.png]

deadline调度器虽然可以保证每个RT任务在deadline之前完成，但是并不能保证每一个任务的最小响应时间。

内核实例，sched-deadline.c

设置允许普通用户修改app调度策略

sudo setcap 'cap_sys_nice=eip' ./a.out
    
    pidof ./a.out
    
    sudo chrt -d -T 1000000 -P 3000000 -D 2000000 0 pid
    
    sudo chrt -p pid
    
    $ sudo chrt -p 6276
    
    chrt: unknown scheduling policy
    
    pid 6276's current scheduling policy: pid 6276's current scheduling priority: 0

chrt 版本太低，未支持显示deadline参数；

Deadline在top显示rt进程，

[img-y3FL0WWc-1598434477156_media_52aa1f9fd24453f17c439a87af15793a.png]: /images/20221123/02477e544a76467cb712e42954659438.png
[img-eN7CnHBC-1598434477159_media_b4a4e74dc6c46517c87d58153608a17d.png]: /images/20221123/f2fa1b3859914c9eb6da0716bd5fbd4e.png
[blog.csdnimg.cn_2020082617385255.png_pic_center]: /images/20221123/a4b245c8e1cb47889e310e07dc7ea60f.png
[img-NidR298g-1598434477162_media_b1e199c95c9d8761ac4fcb1210dd3530.png]: /images/20221123/a606e4b3190d4ed3aac0d1216ab4f0d8.png
[img-Amk0xvTq-1598434477164_media_8676f373467191ec33103b88b4c06edb.png]: /images/20221123/685ffc006244478c91d206fa768291b7.png
[img-nvjbijdT-1598434477165_media_96da26784727858d0555123c96622cc9.png]: /images/20221123/a4fc6334ad5d4e05917136a5fe4d8c4c.png
[img-hzs8dbVH-1598434477167_media_dff1b11c1711d8108196f1298f6906d0.png]: /images/20221123/4a8038b8f60f4c7eabd83b200b198054.png
[img-Vw8pb6le-1598434477168_media_420f618cee58dc40f482e0cbe7006d2f.png]: /images/20221123/ec29d2b0952140fe9399808c9d18a0ff.png
[img-AIGoy9Nx-1598434477169_media_67b4cbc315f0f874e7af4a0d605a813a.png]: /images/20221123/8d373e0fba1a402082e369a61e253b30.png
[img-qXBmmozG-1598434477170_media_0026c188b5f6ca6e5b63354058586b27.jpg]: /images/20221123/c3f6d18e1e7f41638ba4cc898be520e6.png
[img-YaWYi0LV-1598434477170_media_c17214473f4b2c4d9e9406d25f4bba9a.jpg]: /images/20221123/5fcfdb88e7db478abc37a3710fd3595f.png
[img-A1iV8sIa-1598434477171_media_8605b2ff372d6a32e0ed714ea9005a54.jpg]: /images/20221123/a60c1b06b7d747429b6bcda47806b14e.png
[https_blog.csdn.net_dog250_article_details_46705657]: https://blog.csdn.net/dog250/article/details/46705657
[img-KbZbHb2V-1598434477172_media_15915128959344eb2f476a0074a59997.png]: /images/20221123/aaf4616a7d7b4866b751b037d924c0d6.png
[img-nOFzVK0M-1598434477172_media_177819b33a9db50544ecfca74cb7bc26.png]: /images/20221123/8e1cbacda391488d8ca79a17466bed00.png
[img-6F1uEAkM-1598434477173_media_335b8d378fe8e572d936e331de95125a.png]: /images/20221123/c4d50bc37d3d4043aa630268b4776654.png
[img-wLYdujqN-1598434477174_media_4b24fec5cb71daf4fe1ec5f22fdb957c.png]: /images/20221123/cfc0586120e9453e8e8091fc877cb786.png
[img-qIORGrpo-1598434477175_media_e36e3bb4aeb89684a92d0a0506c6e74b.png]: /images/20221123/6063d13261154de29c7e8d8d356b3eb7.png
[https_wiki.linuxfoundation.org_realtime_start]: https://wiki.linuxfoundation.org/realtime/start
[https_git.kernel.org_pub_scm_linux_kernel_git_rt_linux-stable-rt.git]: https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/rt/linux-stable-rt.git/
[img-9WeLt5WL-1598434477175_media_8a81a05de77d1106d9d304200e6ed7e4.png]: /images/20221123/30d8ea16f188444491895ababe8be827.png
[https_elinux.org_images_f_fe_Using_SCHED_DEADLINE.pdf]: https://elinux.org/images/f/fe/Using_SCHED_DEADLINE.pdf
[img-QbtYYMD8-1598434477176_media_3348d1c02a47687260783f927096db9f.png]: /images/20221123/654187f1677b4998adc258ffcf4d2ab3.png
[img-bsUZfTS0-1598434477177_media_57adde06823a584d8e81b01f51305901.png]: /images/20221123/4e7a1d56f81847ce90b1d882a55ee853.png
[img-m2fq0PZD-1598434477177_media_0b4ca210392d6ac1879eec32f7277bd9.png]: /images/20221123/7981bb6a699043cca672951f4cbc24d7.png
[img-ZkAlqNId-1598434477178_media_7deda790debaa20accc7daf27536c85c.png]: /images/20221123/08a84a0e60b043f3a7c8092e1210416f.png
[img-Rp3aSvqj-1598434477179_media_1876c8bcd26856e1bfc8ff3c0852caf1.png]: /images/20221123/80b2d425c0ff48c6bd58b523cdb74d23.png