kk Blog —— 通用基础

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cpuset子系统

http://www.cnblogs.com/lisperl/archive/2012/05/02/2478817.html

cpuset子系统为cgroup 中的任务分配独立 CPU(在多核系统)和内存节点。Cpuset子系统为定义了一个叫cpuset的数据结构来管理cgroup中的任务能够使用的cpu和内存节点。Cpuset定义如下:

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struct cpuset {
	struct cgroup_subsys_state css;
 
	unsigned long flags; /* "unsigned long" so bitops work */
	cpumask_var_t cpus_allowed; /* CPUs allowed to tasks in cpuset */
	nodemask_t mems_allowed; /* Memory Nodes allowed to tasks */
 
	struct cpuset *parent; /* my parent */
 
	struct fmeter fmeter; /* memory_pressure filter */
 
	/* partition number for rebuild_sched_domains() */
	int pn;
 
	/* for custom sched domain */
	int relax_domain_level;
 
	/* used for walking a cpuset heirarchy */
	struct list_head stack_list;
};

其中css字段用于task或cgroup获取cpuset结构。

cpus_allowed和mems_allowed定义了该cpuset包含的cpu和内存节点。

Parent字段用于维持cpuset的树状结构,stack_list则用于遍历cpuset的层次结构。

Pn和relax_domain_level是跟Linux 调度域相关的字段,pn指定了cpuset的调度域的分区号,而relax_domain_level表示进行cpu负载均衡寻找空闲cpu的策略。

除此之外,进程的task_struct结构体里面还有一个cpumask_t cpus_allowed成员,用以存储进程的cpus_allowed信息;一个nodemask_t mems_allowed成员,用于存储进程的mems_allowed信息。

Cpuset子系统的实现是通过在内核代码加入一些hook代码。由于代码比较散,我们逐条分析。

在内核初始化代码(即start_kernel函数)中插入了对cpuset_init调用的代码,这个函数用于cpuset的初始化。

下面我们来看这个函数:

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int __init cpuset_init(void)
{
	int err = 0;
 
	if (!alloc_cpumask_var(&top_cpuset.cpus_allowed, GFP_KERNEL))
		BUG();
 
	cpumask_setall(top_cpuset.cpus_allowed);
	nodes_setall(top_cpuset.mems_allowed);
 
	fmeter_init(&top_cpuset.fmeter);
	set_bit(CS_SCHED_LOAD_BALANCE, &top_cpuset.flags);
	top_cpuset.relax_domain_level = -1;
 
	err = register_filesystem(&cpuset_fs_type);
	if (err < 0)
		return err;
 
	if (!alloc_cpumask_var(&cpus_attach, GFP_KERNEL))
		BUG();
 
	number_of_cpusets = 1;
	return 0;
}

cpumask_setall和nodes_setall将top_cpuset能使用的cpu和内存节点设置成所有节点。紧接着,初始化fmeter,设置top_cpuset的load balance标志。最后注册cpuset文件系统,这个是为了兼容性,因为在cgroups之前就有cpuset了,不过在具体实现时,对cpuset文件系统的操作都被重定向了cgroup文件系统。

除了这些初始化工作,cpuset子系统还在do_basic_setup函数(此函数在kernel_init中被调用)中插入了对cpuset_init_smp的调用代码,用于smp相关的初始化工作。

下面我们看这个函数:

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void __init cpuset_init_smp(void)
{
	cpumask_copy(top_cpuset.cpus_allowed, cpu_active_mask);
	top_cpuset.mems_allowed = node_states[N_HIGH_MEMORY];
 
	hotcpu_notifier(cpuset_track_online_cpus, 0);
	hotplug_memory_notifier(cpuset_track_online_nodes, 10);
 
	cpuset_wq = create_singlethread_workqueue("cpuset");
	BUG_ON(!cpuset_wq);
}

首先,将top_cpuset的cpu和memory节点设置成所有online的节点,之前初始化时还不知道有哪些online节点所以只是简单设成所有,在smp初始化后就可以将其设成所有online节点了。然后加入了两个hook函数,cpuset_track_online_cpus和cpuset_track_online_nodes,这个两个函数将在cpu和memory热插拔时被调用。

cpuset_track_online_cpus函数中调用scan_for_empty_cpusets函数扫描空的cpuset,并将其下的进程移到其非空的parent下,同时更新cpuset的cpus_allowed信息。cpuset_track_online_nodes的处理类似。

那cpuset又是怎么对进程的调度起作用的呢?

这个就跟task_struct中cpu_allowed字段有关了。首先,这个cpu_allowed和进程所属的cpuset的cpus_allowed保持一致;其次,在进程被fork出来的时候,进程继承了父进程的cpuset和cpus_allowed字段;最后,进程被fork出来后,除非指定CLONE_STOPPED标记,都会被调用wake_up_new_task唤醒,在wake_up_new_task中有:

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cpu = select_task_rq(rq, p, SD_BALANCE_FORK, 0);
set_task_cpu(p, cpu);

即为新fork出来的进程选择运行的cpu,而select_task_rq会调用进程所属的调度器的函数,对于普通进程,其调度器是CFS,CFS对应的函数是select_task_rq_fair。在select_task_rq_fair返回选到的cpu后,select_task_rq会对结果和cpu_allowed比较:

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if (unlikely(!cpumask_test_cpu(cpu, &p->cpus_allowed) ||
     !cpu_online(cpu)))
cpu = select_fallback_rq(task_cpu(p), p);

这就保证了新fork出来的进程只能在cpu_allowed中的cpu上运行。

对于被wake up的进程来说,在被调度之前,也会调用select_task_rq选择可运行的cpu。

这就保证了进程任何时候都只会在cpu_allowed中的cpu上运行。

最后说一下,如何保证task_struct中的cpus_allowd和进程所属的cpuset中的cpus_allowed一致。首先,在cpu热插拔时,scan_for_empty_cpusets会更新task_struct中的cpus_allowed信息,其次对cpuset下的控制文件写入操作时也会更新task_struct中的cpus_allowed信息,最后当一个进程被attach到其他cpuset时,同样会更新task_struct中的cpus_allowed信息。

在cpuset之前,Linux内核就提供了指定进程可以运行的cpu的方法。通过调用sched_setaffinity可以指定进程可以运行的cpu。Cpuset对其进行了扩展,保证此调用设定的cpu仍然在cpu_allowed的范围内。在sched_setaffinity中,插入了这样两行代码:

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cpuset_cpus_allowed(p, cpus_allowed);
cpumask_and(new_mask, in_mask, cpus_allowed);

其中cpuset_cpus_allowed返回进程对应的cpuset中的cpus_allowed,cpumask_and则将cpus_allowed和调用sched_setaffinity时的参数in_mask相与得出进程新的cpus_allowed。

通过以上代码的嵌入,Linux内核实现了对进程可调度的cpu的控制。下面我们来分析一下cpuset对memory节点的控制。

Linux中内核分配物理页框的函数有6个:alloc_pages,alloc_page,get_free_pages,get_free_page,get_zeroed_page,get_dma_pages,这些函数最终都通过alloc_pages实现,而alloc_pages又通过alloc_pages_nodemask实现,在__alloc_pages_nodemask中,调用get_page_from_freelist从zone list中分配一个page,在get_page_from_freelist中调用cpuset_zone_allowed_softwall判断当前节点是否属于mems_allowed。通过附加这样一个判断,保证进程从mems_allowed中的节点分配内存。

Linux在cpuset出现之前,也提供了mbind, set_mempolicy来限定进程可用的内存节点。Cpuset子系统对其做了扩展,扩展的方法跟扩展sched_setaffinity类似,通过导出cpuset_mems_allowed,返回进程所属的cupset允许的内存节点,对mbind,set_mempolicy的参数进行过滤。

最后让我们来看一下,cpuset子系统最重要的两个控制文件:

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{
	.name = "cpus",
	.read = cpuset_common_file_read,
	.write_string = cpuset_write_resmask,
	.max_write_len = (100U + 6 * NR_CPUS),
	.private = FILE_CPULIST,
},
 
{
	.name = "mems",
	.read = cpuset_common_file_read,
	.write_string = cpuset_write_resmask,
	.max_write_len = (100U + 6 * MAX_NUMNODES),
	.private = FILE_MEMLIST,
},

通过cpus文件,我们可以指定进程可以使用的cpu节点,通过mems文件,我们可以指定进程可以使用的memory节点。

这两个文件的读写都是通过cpuset_common_file_read和cpuset_write_resmask实现的,通过private属性区分。

在cpuset_common_file_read中读出可用的cpu或memory节点;在cpuset_write_resmask中则根据文件类型分别调用update_cpumask和update_nodemask更新cpu或memory节点信息。