linux多CPU进程负载均衡解析

    在linux中，支持对称smp的处理器模型，在多处理器的情况下，每个处理器都有自己的一个运行队列，这样就存在着分配不均的情况，有的cpu运行队列很多进程，导致一直很忙，有的cpu运行队列可能很少的进程甚至没有任何运行进程，导致cpu经常处于空转的状态，因此我们需要一种机制，来均衡各个cpu上运行队列的进程数。
1数据结构
为了支持多种多处理器模型，linux提出了调用域及组的概念，一个调用域可以包含其它的调用域或者多个组，一个组通常包含一个或者多个cpu，组的数据结构是：


struct sched_group {
struct sched_group *next;//一个调用域可能会包含多个组，该next用于将//sched_group串到调用域的链表上面
cpumask_t cpumask; //每个group中可能会包含一个或者多个cpu，这里的mask表//示了该group所包含的cpu
unsigned long cpu_power;//通常是cpu的个数
};
下面是调用域的数据结构：
struct sched_domain {
struct sched_domain *parent;//调用域可以被别的调用域所包含，parent指向父调用域
struct sched_group *groups;   //该调用域所包含的组
cpumask_t span;
unsigned long min_interval;//最小的时间间隔，用于检查进行负载均衡操作的时机是否到了
unsigned long max_interval; //同上
unsigned int busy_factor;   //当处理器在不空闲的状态下时，进行负载均衡操作的时间间隔一般也长很多，该factor为其乘数银子
unsigned int imbalance_pct;
unsigned long long cache_hot_time;
unsigned int cache_nice_tries;
unsigned int per_cpu_gain;
int flags;  
unsigned long last_balance;
unsigned int balance_interval;  //负载均衡进行的时间间隔 
unsigned int nr_balance_failed; //负载均衡迁移进程失败的次数
 
};

下图表现出了调用域和组之间的关系，这里我们关注2-cpu的smp和8-cpu的numa;2-cpu的SMP有一个调用域，调用域含两个组，每个组含有一个cpu；8-cpu的numa中包含两个调用域，最底层的调用域代表一个节点，每个最底层的调用域包含四个组，每个组有1个cpu，上层调用域包含两个基础的调用域。

2进行cpu负载均衡的时机
每经过一次时钟中断，scheduler_tick（）就调用rebalance_tick（）函数，rebalance_tick（）函数会去触发cpu运行队列的负载均衡操作。该函数从最底层的调度域开始，一直到最上层的调度域进行检查，对于每个调度域都去查看是否到了调用load_balance（）函数的时间，该函数会进行cpu的负载均衡操作。由当前cpu的idle状态和sched_domain的参数来确定调用load_balance()的时间间隔。

3 2-cpu smp和8-cpu numa cpu模型的调用域初始化
对调用域的初始化部分的代码在linux2.6.11版本里面是在arch_init_sched_domains()函数中，被sched_init_smp（）函数所调用。
在sched.c中定义了一个数组static struct sched_group sched_group_phys[NR_CPUS];每个数组元素代表一个cpu组。另外定义了一个每cpu变量Sched.c (kernel):static DEFINE_PER_CPU(struct sched_domain, phys_domains);，系统为每个物理cpu都生成了一个调度域数据结构。
对于2-cpu smp的情形来说，其初始化后，调度域和各个组之间的关系是：

在这个里面虽然每个cpu都有个调度域的数据结构，但调度域的groups链表指向的都是同一个group链表

8-cpu numa的组和调度域关系：

4cpu负载均衡的源码解析

4.1rebalance_tick()
static void rebalance_tick(int this_cpu, runqueue_t *this_rq,
               enum idle_type idle)
{
    unsigned long old_load, this_load;
    unsigned long j = jiffies + CPU_OFFSET(this_cpu);
    struct sched_domain *sd;

    //当前运行队列中可运行的进程数决定了当前运行队列的
    //cpu_load参数
    old_load = this_rq->cpu_load;
    this_load = this_rq->nr_running * SCHED_LOAD_SCALE;

    if (this_load > old_load)
        old_load++;
    //将运行队列的cpu load值设定为上一次的cpu_load和本次cpu_load的平均值
    this_rq->cpu_load = (old_load + this_load) / 2;
    //从该cpu所属的调度域开始，依次遍历各个更高级的调用域
    for_each_domain(this_cpu, sd) {
        unsigned long interval;
        //在该调度域上不需要做负载均衡
        if (!(sd->flags & SD_LOAD_BALANCE))
            continue;

        //若当前cpu不处于空闲状态的话，其调用load_balance的时间间隔会比较长
        interval = sd->balance_interval;
        if (idle != SCHED_IDLE)
            interval *= sd->busy_factor;

        //将时间间隔ms转换成jiffies
        interval = msecs_to_jiffies(interval);
        if (unlikely(!interval))
            interval = 1;
        //当前的时间戳和上次balance的时间大于其间隔的话，调用load_balance进行负载的均衡
        if (j - sd->last_balance >= interval) {
            //load_balance会去寻找最繁忙的cpu组中的最繁忙的cpu，将其进程迁移过来一部分
            if (load_balance(this_cpu, this_rq, sd, idle)) {
                /* We've pulled tasks over so no longer idle */
                idle = NOT_IDLE;
            }
            sd->last_balance += interval;
        }
    }
}
4.2load_balance()
static int load_balance(int this_cpu, runqueue_t *this_rq,
            struct sched_domain *sd, enum idle_type idle)
{
    struct sched_group *group;
    runqueue_t *busiest;
    unsigned long imbalance;
    int nr_moved;

    spin_lock(&this_rq->lock);
    schedstat_inc(sd, lb_cnt[idle]);
    //查找最繁忙的cpu组
    group = find_busiest_group(sd, this_cpu, &imbalance, idle);
    //所有的组都是平衡的，不需要做均衡
    if (!group) {
        schedstat_inc(sd, lb_nobusyg[idle]);
        goto out_balanced;
    }
    //找到最繁忙的组中最繁忙的运行队列
    busiest = find_busiest_queue(group);
    if (!busiest) {
        schedstat_inc(sd, lb_nobusyq[idle]);
        goto out_balanced;
    }

    //最繁忙的运行队列是当前cpu的运行队列，不需要做均衡
    if (unlikely(busiest == this_rq)) {
        WARN_ON(1);
        goto out_balanced;
    }

    schedstat_add(sd, lb_imbalance[idle], imbalance);

    nr_moved = 0;
    if (busiest->nr_running > 1) {

        double_lock_balance(this_rq, busiest);
        //将imbalance个进程从最繁忙的运行队列上迁移到当前的cpu运行队列上面
        nr_moved = move_tasks(this_rq, this_cpu, busiest,
                        imbalance, sd, idle);
        spin_unlock(&busiest->lock);
    }
    spin_unlock(&this_rq->lock);
    //nr_moved == 0,表示没有迁移成功
    if (!nr_moved) {
        schedstat_inc(sd, lb_failed[idle]);
        sd->nr_balance_failed++;

        if (unlikely(sd->nr_balance_failed > sd->cache_nice_tries+2)) {
            int wake = 0;

            spin_lock(&busiest->lock);
            //active_balance表明该运行队列是否唤醒迁移线程来进行负载均衡，
            //push_cpu记录了由哪个cpu来唤醒了其迁移线程
            if (!busiest->active_balance) {
                busiest->active_balance = 1;
                busiest->push_cpu = this_cpu;
                wake = 1;
            }
            spin_unlock(&busiest->lock);
            //唤醒最繁忙运行队列上的迁移内核线程，对进程进行迁移
            if (wake)
                wake_up_process(busiest->migration_thread);


            sd->nr_balance_failed = sd->cache_nice_tries;
        }


        if (sd->balance_interval < sd->max_interval)
            sd->balance_interval++;
    } else {
                sd->nr_balance_failed = 0;
        //进程迁移成功，重置调用域的balance_interval参数
        sd->balance_interval = sd->min_interval;
    }

    return nr_moved;

out_balanced:
    spin_unlock(&this_rq->lock);

    /* tune up the balancing interval */
    //不需要进行进程的迁移，适当的加大负载均衡的间隔时间，说明
    //当前的负载均衡做的比较好
    if (sd->balance_interval < sd->max_interval)
        sd->balance_interval *= 2;

    return 0;
}
4.3move_tasks()
static int move_tasks(runqueue_t *this_rq, int this_cpu, runqueue_t *busiest,
              unsigned long max_nr_move, struct sched_domain *sd,
              enum idle_type idle)
{
    prio_array_t *array, *dst_array;
    struct list_head *head, *curr;
    int idx, pulled = 0;
    task_t *tmp;

    if (max_nr_move <= 0 || busiest->nr_running <= 1)
        goto out;

    //先从过期队列上进行进程的迁移，这样对硬件cache的
    //影响比较小
    if (busiest->expired->nr_active) {
        array = busiest->expired;
        dst_array = this_rq->expired;
    } else {
        array = busiest->active;
        dst_array = this_rq->active;
    }

new_array:
    idx = 0;
skip_bitmap:
    //从优先级最高的可运行进程开始进行迁移
    if (!idx)
        idx = sched_find_first_bit(array->bitmap);
    else
        idx = find_next_bit(array->bitmap, MAX_PRIO, idx);
    if (idx >= MAX_PRIO) {
        if (array == busiest->expired && busiest->active->nr_active) {
            array = busiest->active;
            dst_array = this_rq->active;
            goto new_array;
        }
        goto out;
    }
    //找到对应优先级队列的队列末尾的进程，该进程应该是被
    //放入的最早的一个进程了
    head = array->queue + idx;
    curr = head->prev;
skip_queue:
    tmp = list_entry(curr, task_t, run_list);

    curr = curr->prev;
    //判断该进程能否进行迁移
    if (!can_migrate_task(tmp, busiest, this_cpu, sd, idle)) {
        //该优先级别的队列是否遍历完毕
        if (curr != head)
            goto skip_queue;
        idx++;
        //该优先级别的任务队列遍历完毕，去遍历下一个优先级的任务队列
        goto skip_bitmap;
    }


    schedstat_inc(this_rq, pt_gained[idle]);
    schedstat_inc(busiest, pt_lost[idle]);
    //将队列迁移到本地的任务队列
    pull_task(busiest, array, tmp, this_rq, dst_array, this_cpu);
    pulled++;

    if (pulled < max_nr_move) {
        //该优先级别的队列是否遍历完毕
        if (curr != head)
            goto skip_queue;
        idx++;
        //该优先级别的任务队列遍历完毕，去遍历下一个优先级的任务队列
        goto skip_bitmap;
    }
out:
    return pulled;
}