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- Original:
- Translator:
Sergio González Collado <sergio.collado@gmail.com>
Gestor de tareas CFS¶
1. VISIÓN GENERAL¶
CFS viene de las siglas en inglés de “Gestor de tareas totalmente justo” (“Completely Fair Scheduler”), y es el nuevo gestor de tareas de escritorio implementado por Ingo Molnar e integrado en Linux 2.6.23. Es el sustituto del previo gestor de tareas SCHED_OTHER. Hoy en día se está abriendo camino para el gestor de tareas EEVDF, cuya documentación se puede ver en EEVDF Scheduler
El 80% del diseño de CFS puede ser resumido en una única frase: CFS básicamente modela una “CPU ideal, precisa y multi-tarea” sobre hardware real.
“una CPU multitarea ideal” es una CPU (inexistente :-)) que tiene un 100% de potencia y que puede ejecutar cualquier tarea exactamente a la misma velocidad, en paralelo, y cada una a 1/n velocidad. Por ejemplo, si hay dos tareas ejecutándose, entonces cada una usa un 50% de la potencia --- es decir, como si se ejecutaran en paralelo.
En hardware real, se puede ejecutar una única tarea a la vez, así que se ha usado el concepto de “tiempo de ejecución virtual”. El tiempo de ejecución virtual de una tarea específica cuando la siguiente porción de ejecución podría empezar en la CPU ideal multi-tarea descrita anteriormente. En la práctica, el tiempo de ejecución virtual de una tarea es el tiempo de ejecución real normalizado con respecto al número total de tareas ejecutándose.
2. UNOS CUANTOS DETALLES DE IMPLEMENTACIÓN¶
En CFS, el tiempo de ejecución virtual se expresa y se monitoriza por cada tarea, en su valor de p->se.vruntime (en unidades de nanosegundos). De este modo, es posible temporizar con precisión y medir el “tiempo de CPU esperado” que una tarea debería tener.
Un pequeño detalle: en hardware “ideal”, en cualquier momento todas las tareas pueden tener el mismo valor de p->se.vruntime --- i.e., tareas se podrían ejecutar simultáneamente y ninguna tarea podría escaparse del “balance” de la partición “ideal” del tiempo compartido de la CPU.
La lógica de elección del tareas de CFS se basa en el valor de p->se.vruntime y por tanto es muy sencilla: siempre intenta ejecutar la tarea con el valor p->se.vruntime más pequeño (i.e., la tarea que se ha ejecutado menos hasta el momento). CFS siempre intenta dividir el espacio de tiempo entre tareas en ejecución tan próximo a la “ejecución multitarea ideal del hardware” como sea posible.
El resto del diseño de CFS simplemente se escapa de este simple concepto, con unos cuantos añadidos como los niveles “nice” (“nice” significa “amable” en inglés), multi-tarea y varias variantes del algoritmo para identificar tareas “durmiendo”.
3. EL ÁRBOL ROJO-NEGRO¶
El diseño de CFS es bastante radical: no utiliza las antiguas estructuras de datos para las colas de ejecución (en inglés “runqueues”), pero usa una estructura de árbol rojo-negro (en inglés “red-black tree”) ordenado cronológicamente para construir un línea de ejecución en el futuro, y por eso no tiene ningún artificio de “cambio de tareas” (algo que previamente era usado por el gestor anterior y RSDL/SD).
CFS también mantiene el valor de rq->cfs.min_vruntime, el cual crece monotónicamente siguiendo el valor más pequeño de vruntime de entre todas las tareas en la cola de ejecución. La cantidad total de trabajo realizado por el sistema es monitorizado usado min_vruntime; este valor es usado para situar las nuevas tareas en la parte izquierda del árbol tanto como sea posible.
El valor total de tareas ejecutándose en la cola de ejecución es contabilizado mediante el valor rq->cfs.load, el cual es la suma de los de esas tareas que están en la cola de ejecución.
CFS mantiene un árbol rojo-negro cronológicamente ordenado, donde todas las tareas que pueden ser ejecutadas están ordenadas por su valor de p->se.vruntime. CFS selecciona la tarea más hacia la izquierda de este árbol y la mantiene. Según el sistema continúa, las tareas ejecutadas se ponen en este árbol más y más hacia la derecha --- lentamente pero de forma continuada dando una oportunidad a cada tarea de ser la que está “la más hacia la izquierda” y por tanto obtener la CPU una cantidad determinista de tiempo.
Resumiendo, CFS funciona así: ejecuta una tarea un tiempo, y cuando la tarea se gestiona (o sucede un tic del gestor de tareas) se considera que el tiempo de uso de la CPU se ha completado, y se añade a p->se.vruntime. Una vez p->se.vruntime ha aumentado lo suficiente como para que otra tarea sea “la tarea más hacia la izquierda” del árbol rojo-negro ordenado cronológicamente esta mantienen (más una cierta pequeña cantidad de distancia relativa a la tarea más hacia la izquierda para que no se sobre-reserven tareas y perjudique a la cache), entonces la nueva tarea “que está a la izquierda del todo”, es la que se elige para que se ejecute, y la tarea en ejecución es interrumpida.
4. ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE CFS¶
CFS usa una granularidad de nanosegundos y no depende de ningún jiffy o detalles como HZ. De este modo, el gestor de tareas CFS no tiene noción de “ventanas de tiempo” de la forma en que tenía el gestor de tareas previo, y tampoco tiene heurísticos. Únicamente hay un parámetro central ajustable (se ha de cambiar en CONFIG_SCHED_DEBUG):
/sys/kernel/debug/sched/base_slice_ns
El cual puede ser usado para afinar desde el gestor de tareas del “escritorio” (i.e., bajas latencias) hacia cargas de “servidor” (i.e., bueno con procesamientos). Su valor por defecto es adecuado para tareas de escritorio. SCHED_BATCH también es gestionado por el gestor de tareas CFS.
Debido a su diseño, el gestor de tareas CFS no es proclive a ninguno de los ataques que existen a día de hoy contra los heurísticos del gestor de tareas: fiftyp.c, thud.c, chew.c, ring-test.c, massive_intr.c todos trabajan correctamente y no tienen impacto en la interacción y se comportan de la forma esperada.
El gestor de tareas CFS tiene una gestión mucho más firme de los niveles “nice” y SCHED_BATCH que los previos gestores de tareas: ambos tipos de tareas están aisladas de forma más eficiente.
El balanceo de tareas SMP ha sido rehecho/mejorado: el avance por las colas de ejecución de tareas ha desaparecido del código de balanceo de carga, y ahora se usan iteradores en la gestión de módulos. El balanceo del código ha sido simplificado como resultado esto.
5. Políticas de gestión de tareas¶
CFS implementa tres políticas de gestión de tareas:
SCHED_NORMAL (tradicionalmente llamada SCHED_OTHER): Gestión de tareas que se usan para tareas normales.
SCHED_BATCH: No interrumpe tareas tan a menudo como las tareas normales harían, por eso permite a las tareas ejecutarse durante ventanas de tiempo mayores y hace un uso más efectivo de las caches pero al coste de la interactividad. Esto es adecuado para trabajos de procesado de datos.
SCHED_IDLE: Esta política es más débil incluso que nice 19, pero no es un gestor “idle” para evitar caer en el problema de la inversión de prioridades que causaría un bloqueo de la máquina (deadlock).
SCHED_FIFO/_RR se implementan en sched/rt.c y son específicos de POSIX.
El comando chrt de util-linux-ng 2.13.1.1. puede asignar cualquiera de estas políticas excepto SCHED_IDLE.
6. CLASES DE GESTIÓN¶
El nuevo gestor de tareas CFS ha sido diseñado de tal modo para incluir “clases de gestión”, una jerarquía ampliable de módulos que pueden tener distintas políticas de gestión de tareas. Estos módulos encapsulan los detalles de las politicas de gestión y son manejadas por el núcleo del gestor de tareas sin que este tenga que presuponer mucho sobre estas clases.
sched/fair.c implementa el gestor de tareas CFS descrito antes.
sched/rt.c implementa la semántica de SCHED_FIFO y SCHED_RR, de una forma más sencilla que el gestor de tareas anterior. Usa 100 colas de ejecución (por todos los 100 niveles de prioridad RT, en vez de las 140 que necesitaba el gestor de tareas anterior) y no necesita las listas de expiración.
Las clases de gestión de tareas son implementadas por medio de la estructura sched_class, la cual tiene llamadas a las funciones que deben de llamarse cuando quiera que ocurra un evento interesante.
Esta es la lista parcial de llamadas:
enqueue_task(...)
Llamada cuando una tarea entra en el estado de lista para ejecución. Pone la entidad a ser gestionada (la tarea) en el árbol rojo-negro e incrementa la variable nr_running.
dequeue_task(...)
Cuando una tarea deja de ser ejecutable, esta función se llama para mantener a la entidad gestionada fuera del árbol rojo-negor. Esto decrementa la variable nr_running.
yield_task(...)
Esta función es básicamente desencolar, seguido por encolar, a menos que sysctl compat_yield esté activado; en ese caso, sitúa la entidad a gestionar en la parte más hacia la derecha del árbol rojo-negro.
check_preempt_curr(...)
Esta función comprueba si una tarea que ha entrado en el estado de poder ser ejecutada, podría reemplazar a la tarea que actualmente se esté ejecutando.
pick_next_task(...)
Esta función elige la tarea más apropiada para ser ejecutada a continuación.
set_curr_task(...)
Esta función se llama cuando una tarea cambia su clase de gestión o cambia su grupo de tareas.
task_tick(...)
Esta función es llamada la mayoría de las veces desde la función de tiempo tick; esto puede llevar a un cambio de procesos. Esto dirige el reemplazo de las tareas.
7. EXTENSIONES DE GRUPOS PARA CFS¶
Normalmente, el gestor de tareas gestiona tareas individuales e intenta proporcionar una cantidad justa de CPU a cada tarea. Algunas veces, puede ser deseable agrupar las tareas y proporcionarles una cantidad justa de tiempo de CPU a cada una de las tareas de ese grupo. Por ejemplo, podría ser deseable que primero se proporcione una cantidad justa de tiempo de CPU a cada usuario del sistema y después a cada tarea que pertenezca a un usuario.
CONFIG_CGROUP_SCHED destaca en conseguir exactamente eso. Permite a las tareas ser agrupadas y divide el tiempo de CPU de forma just entre esos grupos.
CONFIG_RT_GROUP_SCHED permite agrupar tareas de tiempo real (i.e., SCHED_FIFO y SCHED_RR).
CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED permite agrupar tareas de CFS (i.e., SCHED_NORMAL y SCHED_BATCH).
Estas opciones necesitan CONFIG_CGROUPS para ser definidas, y permitir al administrador crear grupos arbitrarios de tareas, usando el pseudo sistema de archivos “cgroup”. Vease la documentación para más información sobre este sistema de archivos: Control Groups
Cuando CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED es definido, un archivo “cpu.shares” es creado por cada grupo creado usado en el pseudo sistema de archivos. Véanse por ejemplo los pasos a continuación para crear grupos de tareas y modificar cuanto comparten de la CPU usando el pseudo sistema de archivos “cgroup”
# mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
# mkdir /sys/fs/cgroup/cpu
# mount -t cgroup -ocpu none /sys/fs/cgroup/cpu
# cd /sys/fs/cgroup/cpu
# mkdir multimedia # crear un grupo de tareas "multimedia"
# mkdir browser # crear un grupo de tareas "browser"
# #Configurar el grupo multimedia para tener el doble de tiempo de CPU
# #que el grupo browser
# echo 2048 > multimedia/cpu.shares
# echo 1024 > browser/cpu.shares
# firefox & # Lanzar firefox y moverlo al grupo "browser"
# echo <firefox_pid> > browser/tasks
# #Lanzar gmplayer (o su programa favorito de reproducción de películas)
# echo <movie_player_pid> > multimedia/tasks