Merge tag 'perf-urgent-for-mingo-5.3-20190723' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux...
[platform/kernel/linux-rpi.git] / Documentation / scheduler / sched-deadline.rst
1 ========================
2 Deadline Task Scheduling
3 ========================
4
5 .. CONTENTS
6
7     0. WARNING
8     1. Overview
9     2. Scheduling algorithm
10       2.1 Main algorithm
11       2.2 Bandwidth reclaiming
12     3. Scheduling Real-Time Tasks
13       3.1 Definitions
14       3.2 Schedulability Analysis for Uniprocessor Systems
15       3.3 Schedulability Analysis for Multiprocessor Systems
16       3.4 Relationship with SCHED_DEADLINE Parameters
17     4. Bandwidth management
18       4.1 System-wide settings
19       4.2 Task interface
20       4.3 Default behavior
21       4.4 Behavior of sched_yield()
22     5. Tasks CPU affinity
23       5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
24     6. Future plans
25     A. Test suite
26     B. Minimal main()
27
28
29 0. WARNING
30 ==========
31
32  Fiddling with these settings can result in an unpredictable or even unstable
33  system behavior. As for -rt (group) scheduling, it is assumed that root users
34  know what they're doing.
35
36
37 1. Overview
38 ===========
39
40  The SCHED_DEADLINE policy contained inside the sched_dl scheduling class is
41  basically an implementation of the Earliest Deadline First (EDF) scheduling
42  algorithm, augmented with a mechanism (called Constant Bandwidth Server, CBS)
43  that makes it possible to isolate the behavior of tasks between each other.
44
45
46 2. Scheduling algorithm
47 =======================
48
49 2.1 Main algorithm
50 ------------------
51
52  SCHED_DEADLINE [18] uses three parameters, named "runtime", "period", and
53  "deadline", to schedule tasks. A SCHED_DEADLINE task should receive
54  "runtime" microseconds of execution time every "period" microseconds, and
55  these "runtime" microseconds are available within "deadline" microseconds
56  from the beginning of the period.  In order to implement this behavior,
57  every time the task wakes up, the scheduler computes a "scheduling deadline"
58  consistent with the guarantee (using the CBS[2,3] algorithm). Tasks are then
59  scheduled using EDF[1] on these scheduling deadlines (the task with the
60  earliest scheduling deadline is selected for execution). Notice that the
61  task actually receives "runtime" time units within "deadline" if a proper
62  "admission control" strategy (see Section "4. Bandwidth management") is used
63  (clearly, if the system is overloaded this guarantee cannot be respected).
64
65  Summing up, the CBS[2,3] algorithm assigns scheduling deadlines to tasks so
66  that each task runs for at most its runtime every period, avoiding any
67  interference between different tasks (bandwidth isolation), while the EDF[1]
68  algorithm selects the task with the earliest scheduling deadline as the one
69  to be executed next. Thanks to this feature, tasks that do not strictly comply
70  with the "traditional" real-time task model (see Section 3) can effectively
71  use the new policy.
72
73  In more details, the CBS algorithm assigns scheduling deadlines to
74  tasks in the following way:
75
76   - Each SCHED_DEADLINE task is characterized by the "runtime",
77     "deadline", and "period" parameters;
78
79   - The state of the task is described by a "scheduling deadline", and
80     a "remaining runtime". These two parameters are initially set to 0;
81
82   - When a SCHED_DEADLINE task wakes up (becomes ready for execution),
83     the scheduler checks if::
84
85                  remaining runtime                  runtime
86         ----------------------------------    >    ---------
87         scheduling deadline - current time           period
88
89     then, if the scheduling deadline is smaller than the current time, or
90     this condition is verified, the scheduling deadline and the
91     remaining runtime are re-initialized as
92
93          scheduling deadline = current time + deadline
94          remaining runtime = runtime
95
96     otherwise, the scheduling deadline and the remaining runtime are
97     left unchanged;
98
99   - When a SCHED_DEADLINE task executes for an amount of time t, its
100     remaining runtime is decreased as::
101
102          remaining runtime = remaining runtime - t
103
104     (technically, the runtime is decreased at every tick, or when the
105     task is descheduled / preempted);
106
107   - When the remaining runtime becomes less or equal than 0, the task is
108     said to be "throttled" (also known as "depleted" in real-time literature)
109     and cannot be scheduled until its scheduling deadline. The "replenishment
110     time" for this task (see next item) is set to be equal to the current
111     value of the scheduling deadline;
112
113   - When the current time is equal to the replenishment time of a
114     throttled task, the scheduling deadline and the remaining runtime are
115     updated as::
116
117          scheduling deadline = scheduling deadline + period
118          remaining runtime = remaining runtime + runtime
119
120  The SCHED_FLAG_DL_OVERRUN flag in sched_attr's sched_flags field allows a task
121  to get informed about runtime overruns through the delivery of SIGXCPU
122  signals.
123
124
125 2.2 Bandwidth reclaiming
126 ------------------------
127
128  Bandwidth reclaiming for deadline tasks is based on the GRUB (Greedy
129  Reclamation of Unused Bandwidth) algorithm [15, 16, 17] and it is enabled
130  when flag SCHED_FLAG_RECLAIM is set.
131
132  The following diagram illustrates the state names for tasks handled by GRUB::
133
134                              ------------
135                  (d)        |   Active   |
136               ------------->|            |
137               |             | Contending |
138               |              ------------
139               |                A      |
140           ----------           |      |
141          |          |          |      |
142          | Inactive |          |(b)   | (a)
143          |          |          |      |
144           ----------           |      |
145               A                |      V
146               |              ------------
147               |             |   Active   |
148               --------------|     Non    |
149                  (c)        | Contending |
150                              ------------
151
152  A task can be in one of the following states:
153
154   - ActiveContending: if it is ready for execution (or executing);
155
156   - ActiveNonContending: if it just blocked and has not yet surpassed the 0-lag
157     time;
158
159   - Inactive: if it is blocked and has surpassed the 0-lag time.
160
161  State transitions:
162
163   (a) When a task blocks, it does not become immediately inactive since its
164       bandwidth cannot be immediately reclaimed without breaking the
165       real-time guarantees. It therefore enters a transitional state called
166       ActiveNonContending. The scheduler arms the "inactive timer" to fire at
167       the 0-lag time, when the task's bandwidth can be reclaimed without
168       breaking the real-time guarantees.
169
170       The 0-lag time for a task entering the ActiveNonContending state is
171       computed as::
172
173                         (runtime * dl_period)
174              deadline - ---------------------
175                              dl_runtime
176
177       where runtime is the remaining runtime, while dl_runtime and dl_period
178       are the reservation parameters.
179
180   (b) If the task wakes up before the inactive timer fires, the task re-enters
181       the ActiveContending state and the "inactive timer" is canceled.
182       In addition, if the task wakes up on a different runqueue, then
183       the task's utilization must be removed from the previous runqueue's active
184       utilization and must be added to the new runqueue's active utilization.
185       In order to avoid races between a task waking up on a runqueue while the
186       "inactive timer" is running on a different CPU, the "dl_non_contending"
187       flag is used to indicate that a task is not on a runqueue but is active
188       (so, the flag is set when the task blocks and is cleared when the
189       "inactive timer" fires or when the task  wakes up).
190
191   (c) When the "inactive timer" fires, the task enters the Inactive state and
192       its utilization is removed from the runqueue's active utilization.
193
194   (d) When an inactive task wakes up, it enters the ActiveContending state and
195       its utilization is added to the active utilization of the runqueue where
196       it has been enqueued.
197
198  For each runqueue, the algorithm GRUB keeps track of two different bandwidths:
199
200   - Active bandwidth (running_bw): this is the sum of the bandwidths of all
201     tasks in active state (i.e., ActiveContending or ActiveNonContending);
202
203   - Total bandwidth (this_bw): this is the sum of all tasks "belonging" to the
204     runqueue, including the tasks in Inactive state.
205
206
207  The algorithm reclaims the bandwidth of the tasks in Inactive state.
208  It does so by decrementing the runtime of the executing task Ti at a pace equal
209  to
210
211            dq = -max{ Ui / Umax, (1 - Uinact - Uextra) } dt
212
213  where:
214
215   - Ui is the bandwidth of task Ti;
216   - Umax is the maximum reclaimable utilization (subjected to RT throttling
217     limits);
218   - Uinact is the (per runqueue) inactive utilization, computed as
219     (this_bq - running_bw);
220   - Uextra is the (per runqueue) extra reclaimable utilization
221     (subjected to RT throttling limits).
222
223
224  Let's now see a trivial example of two deadline tasks with runtime equal
225  to 4 and period equal to 8 (i.e., bandwidth equal to 0.5)::
226
227          A            Task T1
228          |
229          |                               |
230          |                               |
231          |--------                       |----
232          |       |                       V
233          |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
234          0   1   2   3   4   5   6   7   8
235
236
237          A            Task T2
238          |
239          |                               |
240          |                               |
241          |       ------------------------|
242          |       |                       V
243          |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
244          0   1   2   3   4   5   6   7   8
245
246
247          A            running_bw
248          |
249        1 -----------------               ------
250          |               |               |
251       0.5-               -----------------
252          |                               |
253          |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
254          0   1   2   3   4   5   6   7   8
255
256
257   - Time t = 0:
258
259     Both tasks are ready for execution and therefore in ActiveContending state.
260     Suppose Task T1 is the first task to start execution.
261     Since there are no inactive tasks, its runtime is decreased as dq = -1 dt.
262
263   - Time t = 2:
264
265     Suppose that task T1 blocks
266     Task T1 therefore enters the ActiveNonContending state. Since its remaining
267     runtime is equal to 2, its 0-lag time is equal to t = 4.
268     Task T2 start execution, with runtime still decreased as dq = -1 dt since
269     there are no inactive tasks.
270
271   - Time t = 4:
272
273     This is the 0-lag time for Task T1. Since it didn't woken up in the
274     meantime, it enters the Inactive state. Its bandwidth is removed from
275     running_bw.
276     Task T2 continues its execution. However, its runtime is now decreased as
277     dq = - 0.5 dt because Uinact = 0.5.
278     Task T2 therefore reclaims the bandwidth unused by Task T1.
279
280   - Time t = 8:
281
282     Task T1 wakes up. It enters the ActiveContending state again, and the
283     running_bw is incremented.
284
285
286 2.3 Energy-aware scheduling
287 ---------------------------
288
289  When cpufreq's schedutil governor is selected, SCHED_DEADLINE implements the
290  GRUB-PA [19] algorithm, reducing the CPU operating frequency to the minimum
291  value that still allows to meet the deadlines. This behavior is currently
292  implemented only for ARM architectures.
293
294  A particular care must be taken in case the time needed for changing frequency
295  is of the same order of magnitude of the reservation period. In such cases,
296  setting a fixed CPU frequency results in a lower amount of deadline misses.
297
298
299 3. Scheduling Real-Time Tasks
300 =============================
301
302
303
304  ..  BIG FAT WARNING ******************************************************
305
306  .. warning::
307
308    This section contains a (not-thorough) summary on classical deadline
309    scheduling theory, and how it applies to SCHED_DEADLINE.
310    The reader can "safely" skip to Section 4 if only interested in seeing
311    how the scheduling policy can be used. Anyway, we strongly recommend
312    to come back here and continue reading (once the urge for testing is
313    satisfied :P) to be sure of fully understanding all technical details.
314
315  .. ************************************************************************
316
317  There are no limitations on what kind of task can exploit this new
318  scheduling discipline, even if it must be said that it is particularly
319  suited for periodic or sporadic real-time tasks that need guarantees on their
320  timing behavior, e.g., multimedia, streaming, control applications, etc.
321
322 3.1 Definitions
323 ------------------------
324
325  A typical real-time task is composed of a repetition of computation phases
326  (task instances, or jobs) which are activated on a periodic or sporadic
327  fashion.
328  Each job J_j (where J_j is the j^th job of the task) is characterized by an
329  arrival time r_j (the time when the job starts), an amount of computation
330  time c_j needed to finish the job, and a job absolute deadline d_j, which
331  is the time within which the job should be finished. The maximum execution
332  time max{c_j} is called "Worst Case Execution Time" (WCET) for the task.
333  A real-time task can be periodic with period P if r_{j+1} = r_j + P, or
334  sporadic with minimum inter-arrival time P is r_{j+1} >= r_j + P. Finally,
335  d_j = r_j + D, where D is the task's relative deadline.
336  Summing up, a real-time task can be described as
337
338         Task = (WCET, D, P)
339
340  The utilization of a real-time task is defined as the ratio between its
341  WCET and its period (or minimum inter-arrival time), and represents
342  the fraction of CPU time needed to execute the task.
343
344  If the total utilization U=sum(WCET_i/P_i) is larger than M (with M equal
345  to the number of CPUs), then the scheduler is unable to respect all the
346  deadlines.
347  Note that total utilization is defined as the sum of the utilizations
348  WCET_i/P_i over all the real-time tasks in the system. When considering
349  multiple real-time tasks, the parameters of the i-th task are indicated
350  with the "_i" suffix.
351  Moreover, if the total utilization is larger than M, then we risk starving
352  non- real-time tasks by real-time tasks.
353  If, instead, the total utilization is smaller than M, then non real-time
354  tasks will not be starved and the system might be able to respect all the
355  deadlines.
356  As a matter of fact, in this case it is possible to provide an upper bound
357  for tardiness (defined as the maximum between 0 and the difference
358  between the finishing time of a job and its absolute deadline).
359  More precisely, it can be proven that using a global EDF scheduler the
360  maximum tardiness of each task is smaller or equal than
361
362         ((M âˆ’ 1) Â· WCET_max âˆ’ WCET_min)/(M âˆ’ (M âˆ’ 2) Â· U_max) + WCET_max
363
364  where WCET_max = max{WCET_i} is the maximum WCET, WCET_min=min{WCET_i}
365  is the minimum WCET, and U_max = max{WCET_i/P_i} is the maximum
366  utilization[12].
367
368 3.2 Schedulability Analysis for Uniprocessor Systems
369 ----------------------------------------------------
370
371  If M=1 (uniprocessor system), or in case of partitioned scheduling (each
372  real-time task is statically assigned to one and only one CPU), it is
373  possible to formally check if all the deadlines are respected.
374  If D_i = P_i for all tasks, then EDF is able to respect all the deadlines
375  of all the tasks executing on a CPU if and only if the total utilization
376  of the tasks running on such a CPU is smaller or equal than 1.
377  If D_i != P_i for some task, then it is possible to define the density of
378  a task as WCET_i/min{D_i,P_i}, and EDF is able to respect all the deadlines
379  of all the tasks running on a CPU if the sum of the densities of the tasks
380  running on such a CPU is smaller or equal than 1:
381
382         sum(WCET_i / min{D_i, P_i}) <= 1
383
384  It is important to notice that this condition is only sufficient, and not
385  necessary: there are task sets that are schedulable, but do not respect the
386  condition. For example, consider the task set {Task_1,Task_2} composed by
387  Task_1=(50ms,50ms,100ms) and Task_2=(10ms,100ms,100ms).
388  EDF is clearly able to schedule the two tasks without missing any deadline
389  (Task_1 is scheduled as soon as it is released, and finishes just in time
390  to respect its deadline; Task_2 is scheduled immediately after Task_1, hence
391  its response time cannot be larger than 50ms + 10ms = 60ms) even if
392
393         50 / min{50,100} + 10 / min{100, 100} = 50 / 50 + 10 / 100 = 1.1
394
395  Of course it is possible to test the exact schedulability of tasks with
396  D_i != P_i (checking a condition that is both sufficient and necessary),
397  but this cannot be done by comparing the total utilization or density with
398  a constant. Instead, the so called "processor demand" approach can be used,
399  computing the total amount of CPU time h(t) needed by all the tasks to
400  respect all of their deadlines in a time interval of size t, and comparing
401  such a time with the interval size t. If h(t) is smaller than t (that is,
402  the amount of time needed by the tasks in a time interval of size t is
403  smaller than the size of the interval) for all the possible values of t, then
404  EDF is able to schedule the tasks respecting all of their deadlines. Since
405  performing this check for all possible values of t is impossible, it has been
406  proven[4,5,6] that it is sufficient to perform the test for values of t
407  between 0 and a maximum value L. The cited papers contain all of the
408  mathematical details and explain how to compute h(t) and L.
409  In any case, this kind of analysis is too complex as well as too
410  time-consuming to be performed on-line. Hence, as explained in Section
411  4 Linux uses an admission test based on the tasks' utilizations.
412
413 3.3 Schedulability Analysis for Multiprocessor Systems
414 ------------------------------------------------------
415
416  On multiprocessor systems with global EDF scheduling (non partitioned
417  systems), a sufficient test for schedulability can not be based on the
418  utilizations or densities: it can be shown that even if D_i = P_i task
419  sets with utilizations slightly larger than 1 can miss deadlines regardless
420  of the number of CPUs.
421
422  Consider a set {Task_1,...Task_{M+1}} of M+1 tasks on a system with M
423  CPUs, with the first task Task_1=(P,P,P) having period, relative deadline
424  and WCET equal to P. The remaining M tasks Task_i=(e,P-1,P-1) have an
425  arbitrarily small worst case execution time (indicated as "e" here) and a
426  period smaller than the one of the first task. Hence, if all the tasks
427  activate at the same time t, global EDF schedules these M tasks first
428  (because their absolute deadlines are equal to t + P - 1, hence they are
429  smaller than the absolute deadline of Task_1, which is t + P). As a
430  result, Task_1 can be scheduled only at time t + e, and will finish at
431  time t + e + P, after its absolute deadline. The total utilization of the
432  task set is U = M Â· e / (P - 1) + P / P = M Â· e / (P - 1) + 1, and for small
433  values of e this can become very close to 1. This is known as "Dhall's
434  effect"[7]. Note: the example in the original paper by Dhall has been
435  slightly simplified here (for example, Dhall more correctly computed
436  lim_{e->0}U).
437
438  More complex schedulability tests for global EDF have been developed in
439  real-time literature[8,9], but they are not based on a simple comparison
440  between total utilization (or density) and a fixed constant. If all tasks
441  have D_i = P_i, a sufficient schedulability condition can be expressed in
442  a simple way:
443
444         sum(WCET_i / P_i) <= M - (M - 1) Â· U_max
445
446  where U_max = max{WCET_i / P_i}[10]. Notice that for U_max = 1,
447  M - (M - 1) Â· U_max becomes M - M + 1 = 1 and this schedulability condition
448  just confirms the Dhall's effect. A more complete survey of the literature
449  about schedulability tests for multi-processor real-time scheduling can be
450  found in [11].
451
452  As seen, enforcing that the total utilization is smaller than M does not
453  guarantee that global EDF schedules the tasks without missing any deadline
454  (in other words, global EDF is not an optimal scheduling algorithm). However,
455  a total utilization smaller than M is enough to guarantee that non real-time
456  tasks are not starved and that the tardiness of real-time tasks has an upper
457  bound[12] (as previously noted). Different bounds on the maximum tardiness
458  experienced by real-time tasks have been developed in various papers[13,14],
459  but the theoretical result that is important for SCHED_DEADLINE is that if
460  the total utilization is smaller or equal than M then the response times of
461  the tasks are limited.
462
463 3.4 Relationship with SCHED_DEADLINE Parameters
464 -----------------------------------------------
465
466  Finally, it is important to understand the relationship between the
467  SCHED_DEADLINE scheduling parameters described in Section 2 (runtime,
468  deadline and period) and the real-time task parameters (WCET, D, P)
469  described in this section. Note that the tasks' temporal constraints are
470  represented by its absolute deadlines d_j = r_j + D described above, while
471  SCHED_DEADLINE schedules the tasks according to scheduling deadlines (see
472  Section 2).
473  If an admission test is used to guarantee that the scheduling deadlines
474  are respected, then SCHED_DEADLINE can be used to schedule real-time tasks
475  guaranteeing that all the jobs' deadlines of a task are respected.
476  In order to do this, a task must be scheduled by setting:
477
478   - runtime >= WCET
479   - deadline = D
480   - period <= P
481
482  IOW, if runtime >= WCET and if period is <= P, then the scheduling deadlines
483  and the absolute deadlines (d_j) coincide, so a proper admission control
484  allows to respect the jobs' absolute deadlines for this task (this is what is
485  called "hard schedulability property" and is an extension of Lemma 1 of [2]).
486  Notice that if runtime > deadline the admission control will surely reject
487  this task, as it is not possible to respect its temporal constraints.
488
489  References:
490
491   1 - C. L. Liu and J. W. Layland. Scheduling algorithms for multiprogram-
492       ming in a hard-real-time environment. Journal of the Association for
493       Computing Machinery, 20(1), 1973.
494   2 - L. Abeni , G. Buttazzo. Integrating Multimedia Applications in Hard
495       Real-Time Systems. Proceedings of the 19th IEEE Real-time Systems
496       Symposium, 1998. http://retis.sssup.it/~giorgio/paps/1998/rtss98-cbs.pdf
497   3 - L. Abeni. Server Mechanisms for Multimedia Applications. ReTiS Lab
498       Technical Report. http://disi.unitn.it/~abeni/tr-98-01.pdf
499   4 - J. Y. Leung and M.L. Merril. A Note on Preemptive Scheduling of
500       Periodic, Real-Time Tasks. Information Processing Letters, vol. 11,
501       no. 3, pp. 115-118, 1980.
502   5 - S. K. Baruah, A. K. Mok and L. E. Rosier. Preemptively Scheduling
503       Hard-Real-Time Sporadic Tasks on One Processor. Proceedings of the
504       11th IEEE Real-time Systems Symposium, 1990.
505   6 - S. K. Baruah, L. E. Rosier and R. R. Howell. Algorithms and Complexity
506       Concerning the Preemptive Scheduling of Periodic Real-Time tasks on
507       One Processor. Real-Time Systems Journal, vol. 4, no. 2, pp 301-324,
508       1990.
509   7 - S. J. Dhall and C. L. Liu. On a real-time scheduling problem. Operations
510       research, vol. 26, no. 1, pp 127-140, 1978.
511   8 - T. Baker. Multiprocessor EDF and Deadline Monotonic Schedulability
512       Analysis. Proceedings of the 24th IEEE Real-Time Systems Symposium, 2003.
513   9 - T. Baker. An Analysis of EDF Schedulability on a Multiprocessor.
514       IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 16, no. 8,
515       pp 760-768, 2005.
516   10 - J. Goossens, S. Funk and S. Baruah, Priority-Driven Scheduling of
517        Periodic Task Systems on Multiprocessors. Real-Time Systems Journal,
518        vol. 25, no. 2–3, pp. 187–205, 2003.
519   11 - R. Davis and A. Burns. A Survey of Hard Real-Time Scheduling for
520        Multiprocessor Systems. ACM Computing Surveys, vol. 43, no. 4, 2011.
521        http://www-users.cs.york.ac.uk/~robdavis/papers/MPSurveyv5.0.pdf
522   12 - U. C. Devi and J. H. Anderson. Tardiness Bounds under Global EDF
523        Scheduling on a Multiprocessor. Real-Time Systems Journal, vol. 32,
524        no. 2, pp 133-189, 2008.
525   13 - P. Valente and G. Lipari. An Upper Bound to the Lateness of Soft
526        Real-Time Tasks Scheduled by EDF on Multiprocessors. Proceedings of
527        the 26th IEEE Real-Time Systems Symposium, 2005.
528   14 - J. Erickson, U. Devi and S. Baruah. Improved tardiness bounds for
529        Global EDF. Proceedings of the 22nd Euromicro Conference on
530        Real-Time Systems, 2010.
531   15 - G. Lipari, S. Baruah, Greedy reclamation of unused bandwidth in
532        constant-bandwidth servers, 12th IEEE Euromicro Conference on Real-Time
533        Systems, 2000.
534   16 - L. Abeni, J. Lelli, C. Scordino, L. Palopoli, Greedy CPU reclaiming for
535        SCHED DEADLINE. In Proceedings of the Real-Time Linux Workshop (RTLWS),
536        Dusseldorf, Germany, 2014.
537   17 - L. Abeni, G. Lipari, A. Parri, Y. Sun, Multicore CPU reclaiming: parallel
538        or sequential?. In Proceedings of the 31st Annual ACM Symposium on Applied
539        Computing, 2016.
540   18 - J. Lelli, C. Scordino, L. Abeni, D. Faggioli, Deadline scheduling in the
541        Linux kernel, Software: Practice and Experience, 46(6): 821-839, June
542        2016.
543   19 - C. Scordino, L. Abeni, J. Lelli, Energy-Aware Real-Time Scheduling in
544        the Linux Kernel, 33rd ACM/SIGAPP Symposium On Applied Computing (SAC
545        2018), Pau, France, April 2018.
546
547
548 4. Bandwidth management
549 =======================
550
551  As previously mentioned, in order for -deadline scheduling to be
552  effective and useful (that is, to be able to provide "runtime" time units
553  within "deadline"), it is important to have some method to keep the allocation
554  of the available fractions of CPU time to the various tasks under control.
555  This is usually called "admission control" and if it is not performed, then
556  no guarantee can be given on the actual scheduling of the -deadline tasks.
557
558  As already stated in Section 3, a necessary condition to be respected to
559  correctly schedule a set of real-time tasks is that the total utilization
560  is smaller than M. When talking about -deadline tasks, this requires that
561  the sum of the ratio between runtime and period for all tasks is smaller
562  than M. Notice that the ratio runtime/period is equivalent to the utilization
563  of a "traditional" real-time task, and is also often referred to as
564  "bandwidth".
565  The interface used to control the CPU bandwidth that can be allocated
566  to -deadline tasks is similar to the one already used for -rt
567  tasks with real-time group scheduling (a.k.a. RT-throttling - see
568  Documentation/scheduler/sched-rt-group.rst), and is based on readable/
569  writable control files located in procfs (for system wide settings).
570  Notice that per-group settings (controlled through cgroupfs) are still not
571  defined for -deadline tasks, because more discussion is needed in order to
572  figure out how we want to manage SCHED_DEADLINE bandwidth at the task group
573  level.
574
575  A main difference between deadline bandwidth management and RT-throttling
576  is that -deadline tasks have bandwidth on their own (while -rt ones don't!),
577  and thus we don't need a higher level throttling mechanism to enforce the
578  desired bandwidth. In other words, this means that interface parameters are
579  only used at admission control time (i.e., when the user calls
580  sched_setattr()). Scheduling is then performed considering actual tasks'
581  parameters, so that CPU bandwidth is allocated to SCHED_DEADLINE tasks
582  respecting their needs in terms of granularity. Therefore, using this simple
583  interface we can put a cap on total utilization of -deadline tasks (i.e.,
584  \Sum (runtime_i / period_i) < global_dl_utilization_cap).
585
586 4.1 System wide settings
587 ------------------------
588
589  The system wide settings are configured under the /proc virtual file system.
590
591  For now the -rt knobs are used for -deadline admission control and the
592  -deadline runtime is accounted against the -rt runtime. We realize that this
593  isn't entirely desirable; however, it is better to have a small interface for
594  now, and be able to change it easily later. The ideal situation (see 5.) is to
595  run -rt tasks from a -deadline server; in which case the -rt bandwidth is a
596  direct subset of dl_bw.
597
598  This means that, for a root_domain comprising M CPUs, -deadline tasks
599  can be created while the sum of their bandwidths stays below:
600
601    M * (sched_rt_runtime_us / sched_rt_period_us)
602
603  It is also possible to disable this bandwidth management logic, and
604  be thus free of oversubscribing the system up to any arbitrary level.
605  This is done by writing -1 in /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us.
606
607
608 4.2 Task interface
609 ------------------
610
611  Specifying a periodic/sporadic task that executes for a given amount of
612  runtime at each instance, and that is scheduled according to the urgency of
613  its own timing constraints needs, in general, a way of declaring:
614
615   - a (maximum/typical) instance execution time,
616   - a minimum interval between consecutive instances,
617   - a time constraint by which each instance must be completed.
618
619  Therefore:
620
621   * a new struct sched_attr, containing all the necessary fields is
622     provided;
623   * the new scheduling related syscalls that manipulate it, i.e.,
624     sched_setattr() and sched_getattr() are implemented.
625
626  For debugging purposes, the leftover runtime and absolute deadline of a
627  SCHED_DEADLINE task can be retrieved through /proc/<pid>/sched (entries
628  dl.runtime and dl.deadline, both values in ns). A programmatic way to
629  retrieve these values from production code is under discussion.
630
631
632 4.3 Default behavior
633 ---------------------
634
635  The default value for SCHED_DEADLINE bandwidth is to have rt_runtime equal to
636  950000. With rt_period equal to 1000000, by default, it means that -deadline
637  tasks can use at most 95%, multiplied by the number of CPUs that compose the
638  root_domain, for each root_domain.
639  This means that non -deadline tasks will receive at least 5% of the CPU time,
640  and that -deadline tasks will receive their runtime with a guaranteed
641  worst-case delay respect to the "deadline" parameter. If "deadline" = "period"
642  and the cpuset mechanism is used to implement partitioned scheduling (see
643  Section 5), then this simple setting of the bandwidth management is able to
644  deterministically guarantee that -deadline tasks will receive their runtime
645  in a period.
646
647  Finally, notice that in order not to jeopardize the admission control a
648  -deadline task cannot fork.
649
650
651 4.4 Behavior of sched_yield()
652 -----------------------------
653
654  When a SCHED_DEADLINE task calls sched_yield(), it gives up its
655  remaining runtime and is immediately throttled, until the next
656  period, when its runtime will be replenished (a special flag
657  dl_yielded is set and used to handle correctly throttling and runtime
658  replenishment after a call to sched_yield()).
659
660  This behavior of sched_yield() allows the task to wake-up exactly at
661  the beginning of the next period. Also, this may be useful in the
662  future with bandwidth reclaiming mechanisms, where sched_yield() will
663  make the leftoever runtime available for reclamation by other
664  SCHED_DEADLINE tasks.
665
666
667 5. Tasks CPU affinity
668 =====================
669
670  -deadline tasks cannot have an affinity mask smaller that the entire
671  root_domain they are created on. However, affinities can be specified
672  through the cpuset facility (Documentation/admin-guide/cgroup-v1/cpusets.rst).
673
674 5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
675 ------------------------------------
676
677  An example of a simple configuration (pin a -deadline task to CPU0)
678  follows (rt-app is used to create a -deadline task)::
679
680    mkdir /dev/cpuset
681    mount -t cgroup -o cpuset cpuset /dev/cpuset
682    cd /dev/cpuset
683    mkdir cpu0
684    echo 0 > cpu0/cpuset.cpus
685    echo 0 > cpu0/cpuset.mems
686    echo 1 > cpuset.cpu_exclusive
687    echo 0 > cpuset.sched_load_balance
688    echo 1 > cpu0/cpuset.cpu_exclusive
689    echo 1 > cpu0/cpuset.mem_exclusive
690    echo $$ > cpu0/tasks
691    rt-app -t 100000:10000:d:0 -D5 # it is now actually superfluous to specify
692                                   # task affinity
693
694 6. Future plans
695 ===============
696
697  Still missing:
698
699   - programmatic way to retrieve current runtime and absolute deadline
700   - refinements to deadline inheritance, especially regarding the possibility
701     of retaining bandwidth isolation among non-interacting tasks. This is
702     being studied from both theoretical and practical points of view, and
703     hopefully we should be able to produce some demonstrative code soon;
704   - (c)group based bandwidth management, and maybe scheduling;
705   - access control for non-root users (and related security concerns to
706     address), which is the best way to allow unprivileged use of the mechanisms
707     and how to prevent non-root users "cheat" the system?
708
709  As already discussed, we are planning also to merge this work with the EDF
710  throttling patches [https://lkml.org/lkml/2010/2/23/239] but we still are in
711  the preliminary phases of the merge and we really seek feedback that would
712  help us decide on the direction it should take.
713
714 Appendix A. Test suite
715 ======================
716
717  The SCHED_DEADLINE policy can be easily tested using two applications that
718  are part of a wider Linux Scheduler validation suite. The suite is
719  available as a GitHub repository: https://github.com/scheduler-tools.
720
721  The first testing application is called rt-app and can be used to
722  start multiple threads with specific parameters. rt-app supports
723  SCHED_{OTHER,FIFO,RR,DEADLINE} scheduling policies and their related
724  parameters (e.g., niceness, priority, runtime/deadline/period). rt-app
725  is a valuable tool, as it can be used to synthetically recreate certain
726  workloads (maybe mimicking real use-cases) and evaluate how the scheduler
727  behaves under such workloads. In this way, results are easily reproducible.
728  rt-app is available at: https://github.com/scheduler-tools/rt-app.
729
730  Thread parameters can be specified from the command line, with something like
731  this::
732
733   # rt-app -t 100000:10000:d -t 150000:20000:f:10 -D5
734
735  The above creates 2 threads. The first one, scheduled by SCHED_DEADLINE,
736  executes for 10ms every 100ms. The second one, scheduled at SCHED_FIFO
737  priority 10, executes for 20ms every 150ms. The test will run for a total
738  of 5 seconds.
739
740  More interestingly, configurations can be described with a json file that
741  can be passed as input to rt-app with something like this::
742
743   # rt-app my_config.json
744
745  The parameters that can be specified with the second method are a superset
746  of the command line options. Please refer to rt-app documentation for more
747  details (`<rt-app-sources>/doc/*.json`).
748
749  The second testing application is a modification of schedtool, called
750  schedtool-dl, which can be used to setup SCHED_DEADLINE parameters for a
751  certain pid/application. schedtool-dl is available at:
752  https://github.com/scheduler-tools/schedtool-dl.git.
753
754  The usage is straightforward::
755
756   # schedtool -E -t 10000000:100000000 -e ./my_cpuhog_app
757
758  With this, my_cpuhog_app is put to run inside a SCHED_DEADLINE reservation
759  of 10ms every 100ms (note that parameters are expressed in microseconds).
760  You can also use schedtool to create a reservation for an already running
761  application, given that you know its pid::
762
763   # schedtool -E -t 10000000:100000000 my_app_pid
764
765 Appendix B. Minimal main()
766 ==========================
767
768  We provide in what follows a simple (ugly) self-contained code snippet
769  showing how SCHED_DEADLINE reservations can be created by a real-time
770  application developer::
771
772    #define _GNU_SOURCE
773    #include <unistd.h>
774    #include <stdio.h>
775    #include <stdlib.h>
776    #include <string.h>
777    #include <time.h>
778    #include <linux/unistd.h>
779    #include <linux/kernel.h>
780    #include <linux/types.h>
781    #include <sys/syscall.h>
782    #include <pthread.h>
783
784    #define gettid() syscall(__NR_gettid)
785
786    #define SCHED_DEADLINE       6
787
788    /* XXX use the proper syscall numbers */
789    #ifdef __x86_64__
790    #define __NR_sched_setattr           314
791    #define __NR_sched_getattr           315
792    #endif
793
794    #ifdef __i386__
795    #define __NR_sched_setattr           351
796    #define __NR_sched_getattr           352
797    #endif
798
799    #ifdef __arm__
800    #define __NR_sched_setattr           380
801    #define __NR_sched_getattr           381
802    #endif
803
804    static volatile int done;
805
806    struct sched_attr {
807         __u32 size;
808
809         __u32 sched_policy;
810         __u64 sched_flags;
811
812         /* SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH */
813         __s32 sched_nice;
814
815         /* SCHED_FIFO, SCHED_RR */
816         __u32 sched_priority;
817
818         /* SCHED_DEADLINE (nsec) */
819         __u64 sched_runtime;
820         __u64 sched_deadline;
821         __u64 sched_period;
822    };
823
824    int sched_setattr(pid_t pid,
825                   const struct sched_attr *attr,
826                   unsigned int flags)
827    {
828         return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags);
829    }
830
831    int sched_getattr(pid_t pid,
832                   struct sched_attr *attr,
833                   unsigned int size,
834                   unsigned int flags)
835    {
836         return syscall(__NR_sched_getattr, pid, attr, size, flags);
837    }
838
839    void *run_deadline(void *data)
840    {
841         struct sched_attr attr;
842         int x = 0;
843         int ret;
844         unsigned int flags = 0;
845
846         printf("deadline thread started [%ld]\n", gettid());
847
848         attr.size = sizeof(attr);
849         attr.sched_flags = 0;
850         attr.sched_nice = 0;
851         attr.sched_priority = 0;
852
853         /* This creates a 10ms/30ms reservation */
854         attr.sched_policy = SCHED_DEADLINE;
855         attr.sched_runtime = 10 * 1000 * 1000;
856         attr.sched_period = attr.sched_deadline = 30 * 1000 * 1000;
857
858         ret = sched_setattr(0, &attr, flags);
859         if (ret < 0) {
860                 done = 0;
861                 perror("sched_setattr");
862                 exit(-1);
863         }
864
865         while (!done) {
866                 x++;
867         }
868
869         printf("deadline thread dies [%ld]\n", gettid());
870         return NULL;
871    }
872
873    int main (int argc, char **argv)
874    {
875         pthread_t thread;
876
877         printf("main thread [%ld]\n", gettid());
878
879         pthread_create(&thread, NULL, run_deadline, NULL);
880
881         sleep(10);
882
883         done = 1;
884         pthread_join(thread, NULL);
885
886         printf("main dies [%ld]\n", gettid());
887         return 0;
888    }