1 .. include:: ../disclaimer-sp.rst
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3 :Original: :ref:`Documentation/scheduler/sched-design-CFS.rst <sched_design_CFS>`
4 :Translator: Sergio González Collado <sergio.collado@gmail.com>
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6 .. _sp_sched_desing_CFS:
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9 Gestor de tareas CFS
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12 1. VISIÓN GENERAL
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15 CFS viene de las siglas en inglés de "Gestor de tareas totalmente justo"
16 ("Completely Fair Scheduler"), y es el nuevo gestor de tareas de escritorio
17 implementado por Ingo Molnar e integrado en Linux 2.6.23. Es el sustituto
18 del previo gestor de tareas SCHED_OTHER. Hoy en día se está abriendo camino
19 para el gestor de tareas EEVDF, cuya documentación se puede ver en
20 Documentation/scheduler/sched-eevdf.rst
21
22 El 80% del diseño de CFS puede ser resumido en una única frase: CFS
23 básicamente modela una "CPU ideal, precisa y multi-tarea" sobre hardware
24 real.
25
26 "una CPU multitarea ideal" es una CPU (inexistente :-)) que tiene un 100%
27 de potencia y que puede ejecutar cualquier tarea exactamente a la misma
28 velocidad, en paralelo, y cada una a 1/n velocidad. Por ejemplo, si hay dos
29 tareas ejecutándose, entonces cada una usa un 50% de la potencia --- es decir,
30 como si se ejecutaran en paralelo.
31
32 En hardware real, se puede ejecutar una única tarea a la vez, así que
33 se ha usado el concepto de "tiempo de ejecución virtual". El tiempo
34 de ejecución virtual de una tarea específica cuando la siguiente porción
35 de ejecución podría empezar en la CPU ideal multi-tarea descrita anteriormente.
36 En la práctica, el tiempo de ejecución virtual de una tarea es el
37 tiempo de ejecución real normalizado con respecto al número total de
38 tareas ejecutándose.
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41 2. UNOS CUANTOS DETALLES DE IMPLEMENTACIÓN
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44 En CFS, el tiempo de ejecución virtual se expresa y se monitoriza por
45 cada tarea, en su valor de p->se.vruntime (en unidades de nanosegundos).
46 De este modo, es posible temporizar con precisión y medir el "tiempo
47 de CPU esperado" que una tarea debería tener.
48
49 Un pequeño detalle: en hardware "ideal", en cualquier momento todas las
50 tareas pueden tener el mismo valor de p->se.vruntime --- i.e., tareas
51 se podrían ejecutar simultáneamente y ninguna tarea podría escaparse del
52 "balance" de la partición "ideal" del tiempo compartido de la CPU.
53
54 La lógica de elección del tareas de CFS se basa en el valor de p->se.vruntime
55 y por tanto es muy sencilla: siempre intenta ejecutar la tarea con el valor
56 p->se.vruntime más pequeño (i.e., la tarea que se ha ejecutado menos hasta el
57 momento). CFS siempre intenta dividir el espacio de tiempo entre tareas
58 en ejecución tan próximo a la "ejecución multitarea ideal del hardware" como
59 sea posible.
60
61 El resto del diseño de CFS simplemente se escapa de este simple concepto,
62 con unos cuantos añadidos como los niveles "nice" ("nice" significa "amable"
63 en inglés), multi-tarea y varias variantes del algoritmo para identificar
64 tareas "durmiendo".
65
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67 3. EL ÁRBOL ROJO-NEGRO
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70 El diseño de CFS es bastante radical: no utiliza las antiguas estructuras
71 de datos para las colas de ejecución (en inglés "runqueues"), pero usa una
72 estructura de árbol rojo-negro (en inglés "red-black tree") ordenado cronológicamente
73 para construir un línea de ejecución en el futuro, y por eso no tiene ningún
74 artificio de "cambio de tareas" (algo que previamente era usado por el gestor
75 anterior y RSDL/SD).
76
77 CFS también mantiene el valor de rq->cfs.min_vruntime, el cual crece
78 monotónicamente siguiendo el valor más pequeño de vruntime de entre todas
79 las tareas en la cola de ejecución. La cantidad total de trabajo realizado
80 por el sistema es monitorizado usado min_vruntime; este valor es usado
81 para situar las nuevas tareas en la parte izquierda del árbol tanto
82 como sea posible.
83
84 El valor total de tareas ejecutándose en la cola de ejecución es
85 contabilizado mediante el valor rq->cfs.load, el cual es la suma de los
86 de esas tareas que están en la cola de ejecución.
87
88 CFS mantiene un árbol rojo-negro cronológicamente ordenado, donde todas las
89 tareas que pueden ser ejecutadas están ordenadas por su valor de
90 p->se.vruntime. CFS selecciona la tarea más hacia la izquierda de este
91 árbol y la mantiene. Según el sistema continúa, las tareas ejecutadas
92 se ponen en este árbol más y más hacia la derecha --- lentamente pero
93 de forma continuada dando una oportunidad a cada tarea de ser la que
94 está "la más hacia la izquierda" y por tanto obtener la CPU una cantidad
95 determinista de tiempo.
96
97 Resumiendo, CFS funciona así: ejecuta una tarea un tiempo, y cuando la
98 tarea se gestiona (o sucede un tic del gestor de tareas) se considera
99 que el tiempo de uso de la CPU se ha completado, y se añade a
100 p->se.vruntime. Una vez p->se.vruntime ha aumentado lo suficiente como
101 para que otra tarea sea "la tarea más hacia la izquierda" del árbol
102 rojo-negro ordenado cronológicamente esta mantienen (más una cierta pequeña
103 cantidad de distancia relativa a la tarea más hacia la izquierda para
104 que no se sobre-reserven tareas y perjudique a la cache), entonces la
105 nueva tarea "que está a la izquierda del todo", es la que se elige
106 para que se ejecute, y la tarea en ejecución es interrumpida.
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108 4. ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE CFS
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111 CFS usa una granularidad de nanosegundos y no depende de ningún
112 jiffy o detalles como HZ. De este modo, el gestor de tareas CFS no tiene
113 noción de "ventanas de tiempo" de la forma en que tenía el gestor de
114 tareas previo, y tampoco tiene heurísticos. Únicamente hay un parámetro
115 central ajustable (se ha de cambiar en CONFIG_SCHED_DEBUG):
116
117 /sys/kernel/debug/sched/base_slice_ns
118
119 El cual puede ser usado para afinar desde el gestor de tareas del "escritorio"
120 (i.e., bajas latencias) hacia cargas de "servidor" (i.e., bueno con
121 procesamientos). Su valor por defecto es adecuado para tareas de escritorio.
122 SCHED_BATCH también es gestionado por el gestor de tareas CFS.
123
124 Debido a su diseño, el gestor de tareas CFS no es proclive a ninguno de los
125 ataques que existen a día de hoy contra los heurísticos del gestor de tareas:
126 fiftyp.c, thud.c, chew.c, ring-test.c, massive_intr.c todos trabajan
127 correctamente y no tienen impacto en la interacción y se comportan de la forma
128 esperada.
129
130 El gestor de tareas CFS tiene una gestión mucho más firme de los niveles
131 "nice" y SCHED_BATCH que los previos gestores de tareas: ambos tipos de
132 tareas están aisladas de forma más eficiente.
133
134 El balanceo de tareas SMP ha sido rehecho/mejorado: el avance por las
135 colas de ejecución de tareas ha desaparecido del código de balanceo de
136 carga, y ahora se usan iteradores en la gestión de módulos. El balanceo
137 del código ha sido simplificado como resultado esto.
138
139 5. Políticas de gestión de tareas
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141
142 CFS implementa tres políticas de gestión de tareas:
143
144 - SCHED_NORMAL (tradicionalmente llamada SCHED_OTHER): Gestión de
145 tareas que se usan para tareas normales.
146
147 - SCHED_BATCH: No interrumpe tareas tan a menudo como las tareas
148 normales harían, por eso permite a las tareas ejecutarse durante
149 ventanas de tiempo mayores y hace un uso más efectivo de las
150 caches pero al coste de la interactividad. Esto es adecuado
151 para trabajos de procesado de datos.
152
153 - SCHED_IDLE: Esta política es más débil incluso que nice 19, pero
154 no es un gestor "idle" para evitar caer en el problema de la
155 inversión de prioridades que causaría un bloqueo de la máquina
156 (deadlock).
157
158 SCHED_FIFO/_RR se implementan en sched/rt.c y son específicos de
159 POSIX.
160
161 El comando chrt de util-linux-ng 2.13.1.1. puede asignar cualquiera de
162 estas políticas excepto SCHED_IDLE.
163
164
165 6. CLASES DE GESTIÓN
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167
168 El nuevo gestor de tareas CFS ha sido diseñado de tal modo para incluir
169 "clases de gestión", una jerarquía ampliable de módulos que pueden tener
170 distintas políticas de gestión de tareas. Estos módulos encapsulan los
171 detalles de las politicas de gestión y son manejadas por el núcleo del
172 gestor de tareas sin que este tenga que presuponer mucho sobre estas clases.
173
174 sched/fair.c implementa el gestor de tareas CFS descrito antes.
175
176 sched/rt.c implementa la semántica de SCHED_FIFO y SCHED_RR, de una forma
177 más sencilla que el gestor de tareas anterior. Usa 100 colas de ejecución
178 (por todos los 100 niveles de prioridad RT, en vez de las 140 que necesitaba
179 el gestor de tareas anterior) y no necesita las listas de expiración.
180
181 Las clases de gestión de tareas son implementadas por medio de la estructura
182 sched_class, la cual tiene llamadas a las funciones que deben de llamarse
183 cuando quiera que ocurra un evento interesante.
184
185 Esta es la lista parcial de llamadas:
186
187 - enqueue_task(...)
188
189 Llamada cuando una tarea entra en el estado de lista para ejecución.
190 Pone la entidad a ser gestionada (la tarea) en el árbol rojo-negro
191 e incrementa la variable nr_running.
192
193 - dequeue_task(...)
194
195 Cuando una tarea deja de ser ejecutable, esta función se llama para
196 mantener a la entidad gestionada fuera del árbol rojo-negor. Esto
197 decrementa la variable nr_running.
198
199 - yield_task(...)
200
201 Esta función es básicamente desencolar, seguido por encolar, a menos que
202 sysctl compat_yield esté activado; en ese caso, sitúa la entidad a gestionar
203 en la parte más hacia la derecha del árbol rojo-negro.
204
205 - check_preempt_curr(...)
206
207 Esta función comprueba si una tarea que ha entrado en el estado de
208 poder ser ejecutada, podría reemplazar a la tarea que actualmente
209 se esté ejecutando.
210
211 - pick_next_task(...)
212
213 Esta función elige la tarea más apropiada para ser ejecutada a continuación.
214
215 - set_curr_task(...)
216
217 Esta función se llama cuando una tarea cambia su clase de gestión o
218 cambia su grupo de tareas.
219
220 - task_tick(...)
221
222 Esta función es llamada la mayoría de las veces desde la función de tiempo
223 tick; esto puede llevar a un cambio de procesos. Esto dirige el reemplazo
224 de las tareas.
225
226
227 7. EXTENSIONES DE GRUPOS PARA CFS
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229
230 Normalmente, el gestor de tareas gestiona tareas individuales e intenta
231 proporcionar una cantidad justa de CPU a cada tarea. Algunas veces, puede
232 ser deseable agrupar las tareas y proporcionarles una cantidad justa
233 de tiempo de CPU a cada una de las tareas de ese grupo. Por ejemplo,
234 podría ser deseable que primero se proporcione una cantidad justa de
235 tiempo de CPU a cada usuario del sistema y después a cada tarea
236 que pertenezca a un usuario.
237
238 CONFIG_CGROUP_SCHED destaca en conseguir exactamente eso. Permite a las
239 tareas ser agrupadas y divide el tiempo de CPU de forma just entre esos
240 grupos.
241
242 CONFIG_RT_GROUP_SCHED permite agrupar tareas de tiempo real (i.e.,
243 SCHED_FIFO y SCHED_RR).
244
245 CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED permite agrupar tareas de CFS (i.e., SCHED_NORMAL y
246 SCHED_BATCH).
247
248 Estas opciones necesitan CONFIG_CGROUPS para ser definidas, y permitir
249 al administrador crear grupos arbitrarios de tareas, usando el pseudo
250 sistema de archivos "cgroup". Vease la documentación para más información
251 sobre este sistema de archivos: Documentation/admin-guide/cgroup-v1/cgroups.rst
252
253 Cuando CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED es definido, un archivo
254 "cpu.shares" es creado por cada grupo creado usado en el pseudo
255 sistema de archivos. Véanse por ejemplo los pasos a continuación
256 para crear grupos de tareas y modificar cuanto comparten de la CPU
257 usando el pseudo sistema de archivos "cgroup" ::
258
259 # mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
260 # mkdir /sys/fs/cgroup/cpu
261 # mount -t cgroup -ocpu none /sys/fs/cgroup/cpu
262 # cd /sys/fs/cgroup/cpu
263
264 # mkdir multimedia # crear un grupo de tareas "multimedia"
265 # mkdir browser # crear un grupo de tareas "browser"
266
267 # #Configurar el grupo multimedia para tener el doble de tiempo de CPU
268 # #que el grupo browser
269
270 # echo 2048 > multimedia/cpu.shares
271 # echo 1024 > browser/cpu.shares
272
273 # firefox & # Lanzar firefox y moverlo al grupo "browser"
274 # echo <firefox_pid> > browser/tasks
275
276 # #Lanzar gmplayer (o su programa favorito de reproducción de películas)
277 # echo <movie_player_pid> > multimedia/tasks
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