Linux 进程管理之CFS负载均衡

什么是负载均衡？

前面的调度学习都是默认在单个CPU上的调度策略。我们知道为了CPU之间减少“干扰”，每个CPU上都有一个任务队列。运行的过程种可能会出现有的CPU“忙的一笔”，有的CPU“闲的蛋疼”，于是便需要负载均衡。

将task从负载较重的CPU上转移到负载相对较轻的CPU上执行，这个过程就是负载均衡的过程。

在了解负载均衡前有必要了解soc上对CPU的拓扑关系。

我们知道一个多核心的soc片上系统，内部结构是很复杂的，内核采用CPU拓扑结构来描述一个SOC的架构。内核使用调度域来描述CPU之间的层次关系，对于低级别的调度域来说，CPU之间的负载均衡处理开销比较小，而对于越高级别的调度域，其负载均衡的开销就越大。

比如一个4核心的SOC，两个核心是一个cluster，共享L2 cache，那么每个cluster可以认为是一个MC调度域，每个MC调度域中有两个调度组，每个调度组中只有一个CPU。而整个SOC可以认为是高一级别的DIE调度域，其中有两个调度组，cluster0属于一个调度组，cluster1属于另一个调度组。跨cluster的负载均衡是需要清除L2 cache的，开销是很大的，因此SOC级别的DIE调度域进行负载均衡的开销会更大一些。

CPU对应的调度域和调度组可通过在设备模型文件 /proc/sys/kernel/sched_domain 里查看。

• 调度域 sched_domain 主要的成员如下：

• 调度组 sched_group 主要的成员如下：

CPU拓扑示例

为了减少锁的竞争，每一个cpu都有自己的MC domain、DIE domain（sched domain是分成两个level，base domain称为MC domain（multi core domain），顶层的domain称为DIE domain）以及sched group，并且形成了sched domain之间的层级结构，sched group的环形链表结构。可以通过/sys/devices/system/cpu/cpuX/topology查看cpu topology信息。

在上面的结构中，sched domain是分成两个level，base domain称为MC domain，顶层的domain称为DIE domain。顶层的DIE domain覆盖了系统中所有的CPU，小核cluster的MC domain包括所有小核cluster中的cpu，大核cluster的MC domain包括所有大核cluster中的cpu。

通过DTS和CPU topo子系统，可以构建sched domain层级结构，用于具体的均衡算法。流程是：kernel_init() -> kernel_init_freeable() -> smp_prepare_cpus() -> init_cpu_topology() -> parse_dt_topology()

负载均衡的软件架构

图中可以看出左边主要分为CPU负载跟踪和task负载跟踪。

• CPU负载跟踪：考虑每一个CPU的负载。汇聚cluster上所有负载，方便计算cluster之间负载的不均衡状况。
• task负载跟踪：判断该任务是否适合当前CPU算力。如果判定需要均衡，那么需要在CPU之间迁移多少的任务才能达到平衡。

右边是通过DTS和CPU topo子系统，构建的sched domain层级结构。流程是：kernel_init() -> kernel_init_freeable() -> smp_prepare_cpus() -> init_cpu_topology() -> parse_dt_topology()

有了左右两边的基础设施，那么什么时候触发负载均衡呢？这主要和调度事件相关，当发生任务唤醒、任务创建、tick到来等调度事件的时候，就可以检查当前系统的不均衡情况，并酌情进行任务迁移，以便让系统负载处于平衡状态。

何时做负载均衡？

CFS任务的负载均衡器有两种。一种是为繁忙CPU们准备的periodic balancer，用于CFS任务在busy cpu上的均衡；一种是为idle cpu们准备的idle balancer，用于把繁忙CPU上的任务均衡到idle cpu上来。

1. 周期性负载均衡（periodic load balance或者tick load balance）是指在tick中，周期性的检测系统的负载均衡状况，找到系统中负载最重的domain、group和CPU，将其上的runnable任务拉到本CPU以便让系统的负载处于均衡的状态。

1. nohz load balance是指其他的cpu已经进入idle，本CPU任务太重，需要通过 IPI 将其他idle的CPUs唤醒来进行负载均衡。nohz idle load balance也是通过busy cpu上tick驱动的，如果需要kick idle load balancer，那么就会通过GIC发送一个ipi中断给选中的idle cpu，让它代表系统所有的idle cpu们进行负载均衡。

1. new idle load balance 比较好理解，就是在CPU上没有任务执行，马上要进入idle状态的时候，看看其他CPU是否需要帮忙，来从busy cpu上拉任务，让整个系统的负载处于均衡状态。

负载均衡的基本过程

当一个CPU上进行负载均衡的时候，总是从base domain开始，检查其所属sched group之间的负载均衡情况，如果有不均衡情况，那么会在该cpu所属cluster之间进行迁移，以便维护cluster内各个cpu core的任务负载均衡。

load_balance是处理负载均衡的核心函数，它的处理单元是一个调度域，也就是sched domain，其中会包含对调度组的处理。

1. 在该domain中找到最忙的sched group
2. 在最忙的group中挑选最忙的CPU runqueue，该CPU就成为任务迁移的src
3. 从该队列中选择要迁移的任务（判断的依据主要是task load的大小，优先选择load重的任务）
4. 向着作为dst的CPU runqueue迁移