Branch data Line data Source code
1 : : // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 : : /*
3 : : * kernel/sched/loadavg.c
4 : : *
5 : : * This file contains the magic bits required to compute the global loadavg
6 : : * figure. Its a silly number but people think its important. We go through
7 : : * great pains to make it work on big machines and tickless kernels.
8 : : */
9 : : #include "sched.h"
10 : :
11 : : /*
12 : : * Global load-average calculations
13 : : *
14 : : * We take a distributed and async approach to calculating the global load-avg
15 : : * in order to minimize overhead.
16 : : *
17 : : * The global load average is an exponentially decaying average of nr_running +
18 : : * nr_uninterruptible.
19 : : *
20 : : * Once every LOAD_FREQ:
21 : : *
22 : : * nr_active = 0;
23 : : * for_each_possible_cpu(cpu)
24 : : * nr_active += cpu_of(cpu)->nr_running + cpu_of(cpu)->nr_uninterruptible;
25 : : *
26 : : * avenrun[n] = avenrun[0] * exp_n + nr_active * (1 - exp_n)
27 : : *
28 : : * Due to a number of reasons the above turns in the mess below:
29 : : *
30 : : * - for_each_possible_cpu() is prohibitively expensive on machines with
31 : : * serious number of CPUs, therefore we need to take a distributed approach
32 : : * to calculating nr_active.
33 : : *
34 : : * \Sum_i x_i(t) = \Sum_i x_i(t) - x_i(t_0) | x_i(t_0) := 0
35 : : * = \Sum_i { \Sum_j=1 x_i(t_j) - x_i(t_j-1) }
36 : : *
37 : : * So assuming nr_active := 0 when we start out -- true per definition, we
38 : : * can simply take per-CPU deltas and fold those into a global accumulate
39 : : * to obtain the same result. See calc_load_fold_active().
40 : : *
41 : : * Furthermore, in order to avoid synchronizing all per-CPU delta folding
42 : : * across the machine, we assume 10 ticks is sufficient time for every
43 : : * CPU to have completed this task.
44 : : *
45 : : * This places an upper-bound on the IRQ-off latency of the machine. Then
46 : : * again, being late doesn't loose the delta, just wrecks the sample.
47 : : *
48 : : * - cpu_rq()->nr_uninterruptible isn't accurately tracked per-CPU because
49 : : * this would add another cross-CPU cacheline miss and atomic operation
50 : : * to the wakeup path. Instead we increment on whatever CPU the task ran
51 : : * when it went into uninterruptible state and decrement on whatever CPU
52 : : * did the wakeup. This means that only the sum of nr_uninterruptible over
53 : : * all CPUs yields the correct result.
54 : : *
55 : : * This covers the NO_HZ=n code, for extra head-aches, see the comment below.
56 : : */
57 : :
58 : : /* Variables and functions for calc_load */
59 : : atomic_long_t calc_load_tasks;
60 : : unsigned long calc_load_update;
61 : : unsigned long avenrun[3];
62 : : EXPORT_SYMBOL(avenrun); /* should be removed */
63 : :
64 : : /**
65 : : * get_avenrun - get the load average array
66 : : * @loads: pointer to dest load array
67 : : * @offset: offset to add
68 : : * @shift: shift count to shift the result left
69 : : *
70 : : * These values are estimates at best, so no need for locking.
71 : : */
72 : 240 : void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift)
73 : : {
74 : 240 : loads[0] = (avenrun[0] + offset) << shift;
75 : 240 : loads[1] = (avenrun[1] + offset) << shift;
76 : 240 : loads[2] = (avenrun[2] + offset) << shift;
77 : 240 : }
78 : :
79 : 630 : long calc_load_fold_active(struct rq *this_rq, long adjust)
80 : : {
81 : 630 : long nr_active, delta = 0;
82 : :
83 : 630 : nr_active = this_rq->nr_running - adjust;
84 : 630 : nr_active += (long)this_rq->nr_uninterruptible;
85 : :
86 [ # # ]: 0 : if (nr_active != this_rq->calc_load_active) {
87 : 180 : delta = nr_active - this_rq->calc_load_active;
88 : 0 : this_rq->calc_load_active = nr_active;
89 : : }
90 : :
91 : 180 : return delta;
92 : : }
93 : :
94 : : /**
95 : : * fixed_power_int - compute: x^n, in O(log n) time
96 : : *
97 : : * @x: base of the power
98 : : * @frac_bits: fractional bits of @x
99 : : * @n: power to raise @x to.
100 : : *
101 : : * By exploiting the relation between the definition of the natural power
102 : : * function: x^n := x*x*...*x (x multiplied by itself for n times), and
103 : : * the binary encoding of numbers used by computers: n := \Sum n_i * 2^i,
104 : : * (where: n_i \elem {0, 1}, the binary vector representing n),
105 : : * we find: x^n := x^(\Sum n_i * 2^i) := \Prod x^(n_i * 2^i), which is
106 : : * of course trivially computable in O(log_2 n), the length of our binary
107 : : * vector.
108 : : */
109 : : static unsigned long
110 : 0 : fixed_power_int(unsigned long x, unsigned int frac_bits, unsigned int n)
111 : : {
112 : 0 : unsigned long result = 1UL << frac_bits;
113 : :
114 : 0 : if (n) {
115 : 0 : for (;;) {
116 [ # # ]: 0 : if (n & 1) {
117 : 0 : result *= x;
118 : 0 : result += 1UL << (frac_bits - 1);
119 : 0 : result >>= frac_bits;
120 : : }
121 : 0 : n >>= 1;
122 [ # # ]: 0 : if (!n)
123 : : break;
124 : 0 : x *= x;
125 : 0 : x += 1UL << (frac_bits - 1);
126 : 0 : x >>= frac_bits;
127 : : }
128 : : }
129 : :
130 [ # # ]: 0 : return result;
131 : : }
132 : :
133 : : /*
134 : : * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
135 : : *
136 : : * a2 = a1 * e + a * (1 - e)
137 : : * = (a0 * e + a * (1 - e)) * e + a * (1 - e)
138 : : * = a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)
139 : : *
140 : : * a3 = a2 * e + a * (1 - e)
141 : : * = (a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)) * e + a * (1 - e)
142 : : * = a0 * e^3 + a * (1 - e) * (1 + e + e^2)
143 : : *
144 : : * ...
145 : : *
146 : : * an = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 + e + ... + e^n-1) [1]
147 : : * = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 - e^n)/(1 - e)
148 : : * = a0 * e^n + a * (1 - e^n)
149 : : *
150 : : * [1] application of the geometric series:
151 : : *
152 : : * n 1 - x^(n+1)
153 : : * S_n := \Sum x^i = -------------
154 : : * i=0 1 - x
155 : : */
156 : : unsigned long
157 : 0 : calc_load_n(unsigned long load, unsigned long exp,
158 : : unsigned long active, unsigned int n)
159 : : {
160 [ # # ]: 0 : return calc_load(load, fixed_power_int(exp, FSHIFT, n), active);
161 : : }
162 : :
163 : : #ifdef CONFIG_NO_HZ_COMMON
164 : : /*
165 : : * Handle NO_HZ for the global load-average.
166 : : *
167 : : * Since the above described distributed algorithm to compute the global
168 : : * load-average relies on per-CPU sampling from the tick, it is affected by
169 : : * NO_HZ.
170 : : *
171 : : * The basic idea is to fold the nr_active delta into a global NO_HZ-delta upon
172 : : * entering NO_HZ state such that we can include this as an 'extra' CPU delta
173 : : * when we read the global state.
174 : : *
175 : : * Obviously reality has to ruin such a delightfully simple scheme:
176 : : *
177 : : * - When we go NO_HZ idle during the window, we can negate our sample
178 : : * contribution, causing under-accounting.
179 : : *
180 : : * We avoid this by keeping two NO_HZ-delta counters and flipping them
181 : : * when the window starts, thus separating old and new NO_HZ load.
182 : : *
183 : : * The only trick is the slight shift in index flip for read vs write.
184 : : *
185 : : * 0s 5s 10s 15s
186 : : * +10 +10 +10 +10
187 : : * |-|-----------|-|-----------|-|-----------|-|
188 : : * r:0 0 1 1 0 0 1 1 0
189 : : * w:0 1 1 0 0 1 1 0 0
190 : : *
191 : : * This ensures we'll fold the old NO_HZ contribution in this window while
192 : : * accumlating the new one.
193 : : *
194 : : * - When we wake up from NO_HZ during the window, we push up our
195 : : * contribution, since we effectively move our sample point to a known
196 : : * busy state.
197 : : *
198 : : * This is solved by pushing the window forward, and thus skipping the
199 : : * sample, for this CPU (effectively using the NO_HZ-delta for this CPU which
200 : : * was in effect at the time the window opened). This also solves the issue
201 : : * of having to deal with a CPU having been in NO_HZ for multiple LOAD_FREQ
202 : : * intervals.
203 : : *
204 : : * When making the ILB scale, we should try to pull this in as well.
205 : : */
206 : : static atomic_long_t calc_load_nohz[2];
207 : : static int calc_load_idx;
208 : :
209 : 177 : static inline int calc_load_write_idx(void)
210 : : {
211 : 177 : int idx = calc_load_idx;
212 : :
213 : : /*
214 : : * See calc_global_nohz(), if we observe the new index, we also
215 : : * need to observe the new update time.
216 : : */
217 : 177 : smp_rmb();
218 : :
219 : : /*
220 : : * If the folding window started, make sure we start writing in the
221 : : * next NO_HZ-delta.
222 : : */
223 [ - + ]: 177 : if (!time_before(jiffies, READ_ONCE(calc_load_update)))
224 : 0 : idx++;
225 : :
226 : 177 : return idx & 1;
227 : : }
228 : :
229 : 29 : static inline int calc_load_read_idx(void)
230 : : {
231 : 29 : return calc_load_idx & 1;
232 : : }
233 : :
234 : 602 : static void calc_load_nohz_fold(struct rq *rq)
235 : : {
236 : 602 : long delta;
237 : :
238 [ + + ]: 602 : delta = calc_load_fold_active(rq, 0);
239 : 177 : if (delta) {
240 : 177 : int idx = calc_load_write_idx();
241 : :
242 : 177 : atomic_long_add(delta, &calc_load_nohz[idx]);
243 : : }
244 : 602 : }
245 : :
246 : 602 : void calc_load_nohz_start(void)
247 : : {
248 : : /*
249 : : * We're going into NO_HZ mode, if there's any pending delta, fold it
250 : : * into the pending NO_HZ delta.
251 : : */
252 : 602 : calc_load_nohz_fold(this_rq());
253 : 602 : }
254 : :
255 : : /*
256 : : * Keep track of the load for NOHZ_FULL, must be called between
257 : : * calc_load_nohz_{start,stop}().
258 : : */
259 : 0 : void calc_load_nohz_remote(struct rq *rq)
260 : : {
261 : 0 : calc_load_nohz_fold(rq);
262 : 0 : }
263 : :
264 : 602 : void calc_load_nohz_stop(void)
265 : : {
266 : 602 : struct rq *this_rq = this_rq();
267 : :
268 : : /*
269 : : * If we're still before the pending sample window, we're done.
270 : : */
271 [ + + ]: 602 : this_rq->calc_load_update = READ_ONCE(calc_load_update);
272 [ + + ]: 602 : if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
273 : : return;
274 : :
275 : : /*
276 : : * We woke inside or after the sample window, this means we're already
277 : : * accounted through the nohz accounting, so skip the entire deal and
278 : : * sync up for the next window.
279 : : */
280 [ + - ]: 15 : if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update + 10))
281 : 15 : this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
282 : : }
283 : :
284 : 29 : static long calc_load_nohz_read(void)
285 : : {
286 : 29 : int idx = calc_load_read_idx();
287 : 29 : long delta = 0;
288 : :
289 [ + + ]: 29 : if (atomic_long_read(&calc_load_nohz[idx]))
290 : 5 : delta = atomic_long_xchg(&calc_load_nohz[idx], 0);
291 : :
292 : 29 : return delta;
293 : : }
294 : :
295 : : /*
296 : : * NO_HZ can leave us missing all per-CPU ticks calling
297 : : * calc_load_fold_active(), but since a NO_HZ CPU folds its delta into
298 : : * calc_load_nohz per calc_load_nohz_start(), all we need to do is fold
299 : : * in the pending NO_HZ delta if our NO_HZ period crossed a load cycle boundary.
300 : : *
301 : : * Once we've updated the global active value, we need to apply the exponential
302 : : * weights adjusted to the number of cycles missed.
303 : : */
304 : 29 : static void calc_global_nohz(void)
305 : : {
306 : 29 : unsigned long sample_window;
307 : 29 : long delta, active, n;
308 : :
309 [ - + ]: 29 : sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
310 [ - + ]: 29 : if (!time_before(jiffies, sample_window + 10)) {
311 : : /*
312 : : * Catch-up, fold however many we are behind still
313 : : */
314 : 0 : delta = jiffies - sample_window - 10;
315 : 0 : n = 1 + (delta / LOAD_FREQ);
316 : :
317 : 0 : active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
318 [ # # ]: 0 : active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
319 : :
320 : 0 : avenrun[0] = calc_load_n(avenrun[0], EXP_1, active, n);
321 : 0 : avenrun[1] = calc_load_n(avenrun[1], EXP_5, active, n);
322 : 0 : avenrun[2] = calc_load_n(avenrun[2], EXP_15, active, n);
323 : :
324 : 0 : WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + n * LOAD_FREQ);
325 : : }
326 : :
327 : : /*
328 : : * Flip the NO_HZ index...
329 : : *
330 : : * Make sure we first write the new time then flip the index, so that
331 : : * calc_load_write_idx() will see the new time when it reads the new
332 : : * index, this avoids a double flip messing things up.
333 : : */
334 : 29 : smp_wmb();
335 : 29 : calc_load_idx++;
336 : 29 : }
337 : : #else /* !CONFIG_NO_HZ_COMMON */
338 : :
339 : : static inline long calc_load_nohz_read(void) { return 0; }
340 : : static inline void calc_global_nohz(void) { }
341 : :
342 : : #endif /* CONFIG_NO_HZ_COMMON */
343 : :
344 : : /*
345 : : * calc_load - update the avenrun load estimates 10 ticks after the
346 : : * CPUs have updated calc_load_tasks.
347 : : *
348 : : * Called from the global timer code.
349 : : */
350 : 95107 : void calc_global_load(unsigned long ticks)
351 : : {
352 : 95107 : unsigned long sample_window;
353 : 95107 : long active, delta;
354 : :
355 [ + + ]: 95107 : sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
356 [ + + ]: 95107 : if (time_before(jiffies, sample_window + 10))
357 : : return;
358 : :
359 : : /*
360 : : * Fold the 'old' NO_HZ-delta to include all NO_HZ CPUs.
361 : : */
362 : 29 : delta = calc_load_nohz_read();
363 [ + + ]: 29 : if (delta)
364 : 5 : atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
365 : :
366 : 29 : active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
367 [ + + ]: 29 : active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
368 : :
369 [ + - ]: 29 : avenrun[0] = calc_load(avenrun[0], EXP_1, active);
370 [ + - ]: 29 : avenrun[1] = calc_load(avenrun[1], EXP_5, active);
371 [ + - ]: 29 : avenrun[2] = calc_load(avenrun[2], EXP_15, active);
372 : :
373 : 29 : WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + LOAD_FREQ);
374 : :
375 : : /*
376 : : * In case we went to NO_HZ for multiple LOAD_FREQ intervals
377 : : * catch up in bulk.
378 : : */
379 : 29 : calc_global_nohz();
380 : : }
381 : :
382 : : /*
383 : : * Called from scheduler_tick() to periodically update this CPU's
384 : : * active count.
385 : : */
386 : 94939 : void calc_global_load_tick(struct rq *this_rq)
387 : : {
388 : 94939 : long delta;
389 : :
390 [ + + ]: 94939 : if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
391 : : return;
392 : :
393 [ + + ]: 28 : delta = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
394 : 3 : if (delta)
395 : 3 : atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
396 : :
397 : 28 : this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
398 : : }
|
