Linux内核源码分析 (5)多处理器调度

注：本章节使用的内核版本为Linux 5.6.18

一、 SMT和NUMA

1、SMP (对称多处理器结构)

• 对称多处理器结构(symmetrical mulit-processing，SMP)，在对称多处理器系统中，所有处理器的地位都是平等的，所有的CPU共享全部资源，比如内存、总线、中断及I/O系统等等，都具有相同的可访问性，消除结构上的障碍，最大特点就是共享所有资源。
  
• 在多处理器系统当中，内核必须考虑几个问题，以确保良好的调度。
  • CPU负荷必须尽可能公平地在所有的处理器上共享。
  • 进程与系统中某些处理器的亲合性（affinity）必须是可设置的。
  • 内核必须能够将进程从CPU迁移到另一个。
• Linux SMP调度就是将进程安排/迁移到合适的CPU中去，保持各CPU负载均衡的过程。

2、NUMA （非一致内存访问结构）

• NUMA为是多处理器计算机，系统各个CPU都有本地内存，可以支持超快的访问能力，各个处理器之间通过总线连接起来，支持对其他CPU的本地内存访问。.在NUMA体系结构中，当CPU访问与它同在一个节点中的“本地” RAM芯片时，几乎没有竞争，因此访问通常是非常快的。另一方面，访问其所属节点外的“远程” RAM芯片就非常慢。
  

二、多核调度

• SMP 是多核处理器最常见的，主要是将一个计算机上集中一组处理器，各处理器是对等及其系统总线和内存子系统。SMP 架构如下图所示。
  

• 根据处理器实际物理属性，CPU 域可分为超线程、多核。

  • 超线程(SMT)：Linux 内核分类 CONFIG_SCHED_SMT；超线程芯片是一个立刻执行几个执行线程的微处理器，它包括几个内部寄存器的拷贝，并快速在它们之间切换。这种由Intel发明的技术，使得当前线程在访问内存的间隙，处理器可以使用它的机器周期去执行另外一个线程。一个超线程的物理CPU可以被Linux看作几个不同的逻辑CPU。
  • 多核(MC)：Linux 内核分类 CONFIG_SCHED_MC。

• Linux 内核对 CPU 管理主要是通过 bitmap 进行实现，并且定义四种状态：possible、online、active 及 present。具体如下：
  include/linux/<cpumask.h>

  extern struct cpumask __cpu_possible_mask;
  extern struct cpumask __cpu_online_mask;
  extern struct cpumask __cpu_present_mask;
  extern struct cpumask __cpu_active_mask;
  
  /*表示系统当中有多少个可以执行的CPU核心*/
  #define cpu_possible_mask ((const struct cpumask *)&__cpu_possible_mask)
  
  /*表示系统当中有多少个处于运行状态的CPU核心*/
  #define cpu_online_mask   ((const struct cpumask *)&__cpu_online_mask)
  
  /*表示系统当中有多少个具备online条件，它们不一定都处于online，有的CPU核心可能被热插拔*/
  #define cpu_present_mask  ((const struct cpumask *)&__cpu_present_mask)
  
  /*表示系统当中有多少个活跃的核心*/
  #define cpu_active_mask   ((const struct cpumask *)&__cpu_active_mask)
  

三、调度域和调度组

• Linux 内核将同一个级别的 CPU 归纳为一个调度组，然后把同一个级别的所有调度组归纳为一个调度域。处理器有一个基本的调度域，它是硬件线程调度域，向上依次是核调度域、处理器调度域和 NUMA 节点调度域。具体案例分析如下：
  
• 再举一个例子：2路4核8核心CPU，它们的CPU调度域逻辑分析
  
  • 所有CPU一共分成三个层次：SMT、MC、NUMA,每层都包含所有CPU,但是划分粒度不同。根据Cache和内存的相关性划分调度域，调度域内的CPU又划分一次调度组。越往下层调度域越小，越上层调度域越大。进程负载均衡会尽可以在底层调度域内部解决，这样Cache利用率最优。

四、SMP调度详解

• 周期性负载均衡：CPU对应的运行队列数据结构中记录下一次周期性负载均衡的时间，当超过这个时间点后，将触发SCHED_SOFFIRQ软中断来进行负载均衡。scheduler_tick() —> triggerJoad_balance()。
• 用到SMP负载均衡模型的时机：
  • 内核运行中，还有部分情况中需要用SMP负载均衡模型来确定最佳运行CPU:
    • 进程A唤醒进程B时，try_to_wake_up()中会考虑进程B将在那个CPU上运行;
    • 进程调用execve()系统调用时
    • fork出子进程，子进程第一次被调度运行。

1、进程的处理器亲和性

2、限期调度类的处理器负载均衡

3、实时调度类的处理器负载均衡

4、公平调度类的处理器负载均衡