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Original:Per-task statistics interface
Translator:Yang Yang <yang.yang29@zte.com.cn>

每任务的统计接口

Taskstats是一个基于netlink的接口,用于从内核向用户空间发送每任务及每进程的 统计信息。

Taskstats设计目的:

  • 在任务生命周期内和退出时高效的提供统计信息
  • 统一不同计数子系统的接口
  • 支持未来计数系统的扩展

术语

“pid”、“tid”、“任务”互换使用,用于描述由struct task_struct定义的标准 Linux任务。“每pid的统计数据”等价于“每任务的统计数据”。

“tgid”、“进程”、“线程组”互换使用,用于描述共享mm_struct的任务集, 也就是传统的Unix进程。尽管使用了tgid这个词,即使一个任务是线程组组长, 对它的处理也没有什么不同。只要一个进程还有任何归属它的任务,它就被认为 活着。

用法

为了在任务生命周期内获得统计信息,用户空间需打开一个单播的netlink套接字 (NETLINK_GENERIC族)然后发送指定pid或tgid的命令。响应消息中包含单个 任务的统计信息(若指定了pid)或进程所有任务汇总的统计信息(若指定了tgid)。

为了在任务退出时获取统计信息,用户空间的监听者发送一个指定cpu掩码的注册命令。 cpu掩码内的cpu上有任务退出时,每pid的统计信息将发送给注册成功的监听者。使用 cpu掩码可以限制一个监听者收到的数据,并有助于对netlink接口进行流量控制,后文 将进行更详细的解释。

如果正在退出的任务是线程组中最后一个退出的线程,额外一条包含每tgid统计信息的 记录也将发送给用户空间。后者包含线程组中所有线程(包括过去和现在)的每pid统计 信息总和。

getdelays.c是一个简单的示例,用以演示如何使用taskstats接口获取延迟统计信息。 用户可注册cpu掩码、发送命令和处理响应、监听每tid/tgid退出数据、将收到的数据 写入文件、通过增大接收缓冲区进行基本的流量控制。

接口

内核用户接口封装在include/linux/taskstats.h。

为避免本文档随着接口的演进而过期,本文仅给出当前版本的概要。当本文与taskstats.h 不一致时,以taskstats.h为准。

struct taskstats是每pid和每tgid数据共用的计数结构体。它是版本化的,可在内核新增 计数子系统时进行扩展。taskstats.h中定义了各字段及语义。

用户、内核空间的数据交换是属于NETLINK_GENERIC族的netlink消息,使用netlink属性 接口。消息格式如下:

+----------+- - -+-------------+-------------------+
| nlmsghdr | Pad |  genlmsghdr | taskstats payload |
+----------+- - -+-------------+-------------------+

Taskstats载荷有三种类型:

1. 命令:由用户发送给内核。获取指定pid/tgid数据的命令包含一个类型为 TASKSTATS_CMD_ATTR_PID/TGID的属性,该属性包含u32的pid或tgid载荷。 pid/tgid指示用户空间要统计的任务/进程。

注册/注销获取指定cpu集上退出数据的命令包含一个类型为 TASKSTATS_CMD_ATTR_REGISTER/DEREGISTER_CPUMASK的属性,该属性包含cpu掩码载荷。 cpu掩码是以ascii码表示,用逗号分隔的cpu范围。例如若需监听1,2,3,5,7,8号cpu的 退出数据,cpu掩码表示为”1-3,5,7-8”。若用户空间在关闭监听套接字前忘了注销监听 的cpu集,随着时间的推移,内核会清理此监听集。但是,出于提效的目的,建议明确 执行注销。

  1. 命令的应答:内核发出应答用户空间的命令。载荷有三类属性:

a) TASKSTATS_TYPE_AGGR_PID/TGID: 本属性不包含载荷,用以指示其后为被统计对象 的pig/tgid。

  1. TASKSTATS_TYPE_PID/TGID:本属性的载荷为pig/tgid,其统计信息将被返回。

c) TASKSTATS_TYPE_STATS:本属性的载荷为一个struct taskstats实例。每pid和 每tgid统计信息共用该结构体。

  1. 内核会在任务退出时发送新消息。其载荷包含一系列以下类型的属性:
  1. TASKSTATS_TYPE_AGGR_PID:指示其后两个属性为pid+stats。
  2. TASKSTATS_TYPE_PID:包含退出任务的pid。
  3. TASKSTATS_TYPE_STATS:包含退出任务的每pid统计信息
  4. TASKSTATS_TYPE_AGGR_TGID:指示其后两个属性为tgid+stats。
  5. TASKSTATS_TYPE_TGID:包含任务所属进程的tgid
  6. TASKSTATS_TYPE_STATS:包含退出任务所属进程的每tgid统计信息

每tgid的统计

除了每任务的统计信息,taskstats还提供每进程的统计信息,因为资源管理通常以进程 粒度完成,并且仅在用户空间聚合任务统计信息效率低下且可能不准确(缺乏原子性)。

然而,除了每任务统计信息,在内核中维护每进程统计信息存在额外的时间和空间开销。 为解决此问题,taskstats代码将退出任务的统计信息累积到进程范围的数据结构中。 当进程最后一个任务退出时,累积的进程级数据也会发送到用户空间(与每任务数据一起)。

当用户查询每tgid数据时,内核将指定线程组中所有活动线程的统计信息相加,并添加到 该线程组的累积总数(含之前退出的线程)。

扩展taskstats

有两种方法可在未来修改内核扩展taskstats接口,以导出更多的每任务/进程统计信息:

1. 在现有struct taskstats末尾增加字段。该结构体中的版本号确保了向后兼容性。 用户空间将仅使用与其版本对应的结构体字段。

2. 定义单独的统计结构体并使用netlink属性接口返回对应的数据。由于用户空间独立 处理每个netlink属性,所以总是可以忽略其不理解类型的属性(因为使用了旧版本接口)。

在1.和2.之间进行选择,属于权衡灵活性和开销的问题。若仅需增加少数字段,那么1.是 首选方法,因为内核和用户空间无需承担处理新netlink属性的开销。但若新字段过多的 扩展现有结构体,导致不同的用户空间计数程序不必要的接收大型结构体,而对结构体 字段并不感兴趣,那么2.是值得的。

Taskstats的流量控制

当退出任务数速率变大,监听者可能跟不上内核发送每tid/tgid退出数据的速率,而导致 数据丢失。taskstats结构体变大、cpu数量上升,都会导致这种可能性增加。

为避免统计信息丢失,用户空间应执行以下操作中至少一项:

  • 增大监听者用于接收退出数据的netlink套接字接收缓存区。
  • 创建更多的监听者,减少每个监听者监听的cpu数量。极端情况下可为每个cpu创建 一个监听者。用户还可考虑将监听者的cpu亲和性设置为监听cpu的子集,特别是当他们 仅监听一个cpu。

尽管采取了这些措施,若用户空间仍收到指示接收缓存区溢出的ENOBUFS错误消息, 则应采取其他措施处理数据丢失。