Merge tag 'for-v3.12' of git://git.infradead.org/battery-2.6
[platform/adaptation/renesas_rcar/renesas_kernel.git] / Documentation / timers / NO_HZ.txt
1                 NO_HZ: Reducing Scheduling-Clock Ticks
2
3
4 This document describes Kconfig options and boot parameters that can
5 reduce the number of scheduling-clock interrupts, thereby improving energy
6 efficiency and reducing OS jitter.  Reducing OS jitter is important for
7 some types of computationally intensive high-performance computing (HPC)
8 applications and for real-time applications.
9
10 There are three main ways of managing scheduling-clock interrupts
11 (also known as "scheduling-clock ticks" or simply "ticks"):
12
13 1.      Never omit scheduling-clock ticks (CONFIG_HZ_PERIODIC=y or
14         CONFIG_NO_HZ=n for older kernels).  You normally will -not-
15         want to choose this option.
16
17 2.      Omit scheduling-clock ticks on idle CPUs (CONFIG_NO_HZ_IDLE=y or
18         CONFIG_NO_HZ=y for older kernels).  This is the most common
19         approach, and should be the default.
20
21 3.      Omit scheduling-clock ticks on CPUs that are either idle or that
22         have only one runnable task (CONFIG_NO_HZ_FULL=y).  Unless you
23         are running realtime applications or certain types of HPC
24         workloads, you will normally -not- want this option.
25
26 These three cases are described in the following three sections, followed
27 by a third section on RCU-specific considerations, a fourth section
28 discussing testing, and a fifth and final section listing known issues.
29
30
31 NEVER OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS
32
33 Very old versions of Linux from the 1990s and the very early 2000s
34 are incapable of omitting scheduling-clock ticks.  It turns out that
35 there are some situations where this old-school approach is still the
36 right approach, for example, in heavy workloads with lots of tasks
37 that use short bursts of CPU, where there are very frequent idle
38 periods, but where these idle periods are also quite short (tens or
39 hundreds of microseconds).  For these types of workloads, scheduling
40 clock interrupts will normally be delivered any way because there
41 will frequently be multiple runnable tasks per CPU.  In these cases,
42 attempting to turn off the scheduling clock interrupt will have no effect
43 other than increasing the overhead of switching to and from idle and
44 transitioning between user and kernel execution.
45
46 This mode of operation can be selected using CONFIG_HZ_PERIODIC=y (or
47 CONFIG_NO_HZ=n for older kernels).
48
49 However, if you are instead running a light workload with long idle
50 periods, failing to omit scheduling-clock interrupts will result in
51 excessive power consumption.  This is especially bad on battery-powered
52 devices, where it results in extremely short battery lifetimes.  If you
53 are running light workloads, you should therefore read the following
54 section.
55
56 In addition, if you are running either a real-time workload or an HPC
57 workload with short iterations, the scheduling-clock interrupts can
58 degrade your applications performance.  If this describes your workload,
59 you should read the following two sections.
60
61
62 OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS FOR IDLE CPUs
63
64 If a CPU is idle, there is little point in sending it a scheduling-clock
65 interrupt.  After all, the primary purpose of a scheduling-clock interrupt
66 is to force a busy CPU to shift its attention among multiple duties,
67 and an idle CPU has no duties to shift its attention among.
68
69 The CONFIG_NO_HZ_IDLE=y Kconfig option causes the kernel to avoid sending
70 scheduling-clock interrupts to idle CPUs, which is critically important
71 both to battery-powered devices and to highly virtualized mainframes.
72 A battery-powered device running a CONFIG_HZ_PERIODIC=y kernel would
73 drain its battery very quickly, easily 2-3 times as fast as would the
74 same device running a CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernel.  A mainframe running
75 1,500 OS instances might find that half of its CPU time was consumed by
76 unnecessary scheduling-clock interrupts.  In these situations, there
77 is strong motivation to avoid sending scheduling-clock interrupts to
78 idle CPUs.  That said, dyntick-idle mode is not free:
79
80 1.      It increases the number of instructions executed on the path
81         to and from the idle loop.
82
83 2.      On many architectures, dyntick-idle mode also increases the
84         number of expensive clock-reprogramming operations.
85
86 Therefore, systems with aggressive real-time response constraints often
87 run CONFIG_HZ_PERIODIC=y kernels (or CONFIG_NO_HZ=n for older kernels)
88 in order to avoid degrading from-idle transition latencies.
89
90 An idle CPU that is not receiving scheduling-clock interrupts is said to
91 be "dyntick-idle", "in dyntick-idle mode", "in nohz mode", or "running
92 tickless".  The remainder of this document will use "dyntick-idle mode".
93
94 There is also a boot parameter "nohz=" that can be used to disable
95 dyntick-idle mode in CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernels by specifying "nohz=off".
96 By default, CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernels boot with "nohz=on", enabling
97 dyntick-idle mode.
98
99
100 OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS FOR CPUs WITH ONLY ONE RUNNABLE TASK
101
102 If a CPU has only one runnable task, there is little point in sending it
103 a scheduling-clock interrupt because there is no other task to switch to.
104 Note that omitting scheduling-clock ticks for CPUs with only one runnable
105 task implies also omitting them for idle CPUs.
106
107 The CONFIG_NO_HZ_FULL=y Kconfig option causes the kernel to avoid
108 sending scheduling-clock interrupts to CPUs with a single runnable task,
109 and such CPUs are said to be "adaptive-ticks CPUs".  This is important
110 for applications with aggressive real-time response constraints because
111 it allows them to improve their worst-case response times by the maximum
112 duration of a scheduling-clock interrupt.  It is also important for
113 computationally intensive short-iteration workloads:  If any CPU is
114 delayed during a given iteration, all the other CPUs will be forced to
115 wait idle while the delayed CPU finishes.  Thus, the delay is multiplied
116 by one less than the number of CPUs.  In these situations, there is
117 again strong motivation to avoid sending scheduling-clock interrupts.
118
119 By default, no CPU will be an adaptive-ticks CPU.  The "nohz_full="
120 boot parameter specifies the adaptive-ticks CPUs.  For example,
121 "nohz_full=1,6-8" says that CPUs 1, 6, 7, and 8 are to be adaptive-ticks
122 CPUs.  Note that you are prohibited from marking all of the CPUs as
123 adaptive-tick CPUs:  At least one non-adaptive-tick CPU must remain
124 online to handle timekeeping tasks in order to ensure that system
125 calls like gettimeofday() returns accurate values on adaptive-tick CPUs.
126 (This is not an issue for CONFIG_NO_HZ_IDLE=y because there are no running
127 user processes to observe slight drifts in clock rate.)  Therefore, the
128 boot CPU is prohibited from entering adaptive-ticks mode.  Specifying a
129 "nohz_full=" mask that includes the boot CPU will result in a boot-time
130 error message, and the boot CPU will be removed from the mask.  Note that
131 this means that your system must have at least two CPUs in order for
132 CONFIG_NO_HZ_FULL=y to do anything for you.
133
134 Alternatively, the CONFIG_NO_HZ_FULL_ALL=y Kconfig parameter specifies
135 that all CPUs other than the boot CPU are adaptive-ticks CPUs.  This
136 Kconfig parameter will be overridden by the "nohz_full=" boot parameter,
137 so that if both the CONFIG_NO_HZ_FULL_ALL=y Kconfig parameter and
138 the "nohz_full=1" boot parameter is specified, the boot parameter will
139 prevail so that only CPU 1 will be an adaptive-ticks CPU.
140
141 Finally, adaptive-ticks CPUs must have their RCU callbacks offloaded.
142 This is covered in the "RCU IMPLICATIONS" section below.
143
144 Normally, a CPU remains in adaptive-ticks mode as long as possible.
145 In particular, transitioning to kernel mode does not automatically change
146 the mode.  Instead, the CPU will exit adaptive-ticks mode only if needed,
147 for example, if that CPU enqueues an RCU callback.
148
149 Just as with dyntick-idle mode, the benefits of adaptive-tick mode do
150 not come for free:
151
152 1.      CONFIG_NO_HZ_FULL selects CONFIG_NO_HZ_COMMON, so you cannot run
153         adaptive ticks without also running dyntick idle.  This dependency
154         extends down into the implementation, so that all of the costs
155         of CONFIG_NO_HZ_IDLE are also incurred by CONFIG_NO_HZ_FULL.
156
157 2.      The user/kernel transitions are slightly more expensive due
158         to the need to inform kernel subsystems (such as RCU) about
159         the change in mode.
160
161 3.      POSIX CPU timers on adaptive-tick CPUs may miss their deadlines
162         (perhaps indefinitely) because they currently rely on
163         scheduling-tick interrupts.  This will likely be fixed in
164         one of two ways: (1) Prevent CPUs with POSIX CPU timers from
165         entering adaptive-tick mode, or (2) Use hrtimers or other
166         adaptive-ticks-immune mechanism to cause the POSIX CPU timer to
167         fire properly.
168
169 4.      If there are more perf events pending than the hardware can
170         accommodate, they are normally round-robined so as to collect
171         all of them over time.  Adaptive-tick mode may prevent this
172         round-robining from happening.  This will likely be fixed by
173         preventing CPUs with large numbers of perf events pending from
174         entering adaptive-tick mode.
175
176 5.      Scheduler statistics for adaptive-tick CPUs may be computed
177         slightly differently than those for non-adaptive-tick CPUs.
178         This might in turn perturb load-balancing of real-time tasks.
179
180 6.      The LB_BIAS scheduler feature is disabled by adaptive ticks.
181
182 Although improvements are expected over time, adaptive ticks is quite
183 useful for many types of real-time and compute-intensive applications.
184 However, the drawbacks listed above mean that adaptive ticks should not
185 (yet) be enabled by default.
186
187
188 RCU IMPLICATIONS
189
190 There are situations in which idle CPUs cannot be permitted to
191 enter either dyntick-idle mode or adaptive-tick mode, the most
192 common being when that CPU has RCU callbacks pending.
193
194 The CONFIG_RCU_FAST_NO_HZ=y Kconfig option may be used to cause such CPUs
195 to enter dyntick-idle mode or adaptive-tick mode anyway.  In this case,
196 a timer will awaken these CPUs every four jiffies in order to ensure
197 that the RCU callbacks are processed in a timely fashion.
198
199 Another approach is to offload RCU callback processing to "rcuo" kthreads
200 using the CONFIG_RCU_NOCB_CPU=y Kconfig option.  The specific CPUs to
201 offload may be selected via several methods:
202
203 1.      One of three mutually exclusive Kconfig options specify a
204         build-time default for the CPUs to offload:
205
206         a.      The CONFIG_RCU_NOCB_CPU_NONE=y Kconfig option results in
207                 no CPUs being offloaded.
208
209         b.      The CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ZERO=y Kconfig option causes
210                 CPU 0 to be offloaded.
211
212         c.      The CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ALL=y Kconfig option causes all
213                 CPUs to be offloaded.  Note that the callbacks will be
214                 offloaded to "rcuo" kthreads, and that those kthreads
215                 will in fact run on some CPU.  However, this approach
216                 gives fine-grained control on exactly which CPUs the
217                 callbacks run on, along with their scheduling priority
218                 (including the default of SCHED_OTHER), and it further
219                 allows this control to be varied dynamically at runtime.
220
221 2.      The "rcu_nocbs=" kernel boot parameter, which takes a comma-separated
222         list of CPUs and CPU ranges, for example, "1,3-5" selects CPUs 1,
223         3, 4, and 5.  The specified CPUs will be offloaded in addition to
224         any CPUs specified as offloaded by CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ZERO=y or
225         CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ALL=y.  This means that the "rcu_nocbs=" boot
226         parameter has no effect for kernels built with RCU_NOCB_CPU_ALL=y.
227
228 The offloaded CPUs will never queue RCU callbacks, and therefore RCU
229 never prevents offloaded CPUs from entering either dyntick-idle mode
230 or adaptive-tick mode.  That said, note that it is up to userspace to
231 pin the "rcuo" kthreads to specific CPUs if desired.  Otherwise, the
232 scheduler will decide where to run them, which might or might not be
233 where you want them to run.
234
235
236 TESTING
237
238 So you enable all the OS-jitter features described in this document,
239 but do not see any change in your workload's behavior.  Is this because
240 your workload isn't affected that much by OS jitter, or is it because
241 something else is in the way?  This section helps answer this question
242 by providing a simple OS-jitter test suite, which is available on branch
243 master of the following git archive:
244
245 git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/frederic/dynticks-testing.git
246
247 Clone this archive and follow the instructions in the README file.
248 This test procedure will produce a trace that will allow you to evaluate
249 whether or not you have succeeded in removing OS jitter from your system.
250 If this trace shows that you have removed OS jitter as much as is
251 possible, then you can conclude that your workload is not all that
252 sensitive to OS jitter.
253
254 Note: this test requires that your system have at least two CPUs.
255 We do not currently have a good way to remove OS jitter from single-CPU
256 systems.
257
258
259 KNOWN ISSUES
260
261 o       Dyntick-idle slows transitions to and from idle slightly.
262         In practice, this has not been a problem except for the most
263         aggressive real-time workloads, which have the option of disabling
264         dyntick-idle mode, an option that most of them take.  However,
265         some workloads will no doubt want to use adaptive ticks to
266         eliminate scheduling-clock interrupt latencies.  Here are some
267         options for these workloads:
268
269         a.      Use PMQOS from userspace to inform the kernel of your
270                 latency requirements (preferred).
271
272         b.      On x86 systems, use the "idle=mwait" boot parameter.
273
274         c.      On x86 systems, use the "intel_idle.max_cstate=" to limit
275         `       the maximum C-state depth.
276
277         d.      On x86 systems, use the "idle=poll" boot parameter.
278                 However, please note that use of this parameter can cause
279                 your CPU to overheat, which may cause thermal throttling
280                 to degrade your latencies -- and that this degradation can
281                 be even worse than that of dyntick-idle.  Furthermore,
282                 this parameter effectively disables Turbo Mode on Intel
283                 CPUs, which can significantly reduce maximum performance.
284
285 o       Adaptive-ticks slows user/kernel transitions slightly.
286         This is not expected to be a problem for computationally intensive
287         workloads, which have few such transitions.  Careful benchmarking
288         will be required to determine whether or not other workloads
289         are significantly affected by this effect.
290
291 o       Adaptive-ticks does not do anything unless there is only one
292         runnable task for a given CPU, even though there are a number
293         of other situations where the scheduling-clock tick is not
294         needed.  To give but one example, consider a CPU that has one
295         runnable high-priority SCHED_FIFO task and an arbitrary number
296         of low-priority SCHED_OTHER tasks.  In this case, the CPU is
297         required to run the SCHED_FIFO task until it either blocks or
298         some other higher-priority task awakens on (or is assigned to)
299         this CPU, so there is no point in sending a scheduling-clock
300         interrupt to this CPU.  However, the current implementation
301         nevertheless sends scheduling-clock interrupts to CPUs having a
302         single runnable SCHED_FIFO task and multiple runnable SCHED_OTHER
303         tasks, even though these interrupts are unnecessary.
304
305         And even when there are multiple runnable tasks on a given CPU,
306         there is little point in interrupting that CPU until the current
307         running task's timeslice expires, which is almost always way
308         longer than the time of the next scheduling-clock interrupt.
309
310         Better handling of these sorts of situations is future work.
311
312 o       A reboot is required to reconfigure both adaptive idle and RCU
313         callback offloading.  Runtime reconfiguration could be provided
314         if needed, however, due to the complexity of reconfiguring RCU at
315         runtime, there would need to be an earthshakingly good reason.
316         Especially given that you have the straightforward option of
317         simply offloading RCU callbacks from all CPUs and pinning them
318         where you want them whenever you want them pinned.
319
320 o       Additional configuration is required to deal with other sources
321         of OS jitter, including interrupts and system-utility tasks
322         and processes.  This configuration normally involves binding
323         interrupts and tasks to particular CPUs.
324
325 o       Some sources of OS jitter can currently be eliminated only by
326         constraining the workload.  For example, the only way to eliminate
327         OS jitter due to global TLB shootdowns is to avoid the unmapping
328         operations (such as kernel module unload operations) that
329         result in these shootdowns.  For another example, page faults
330         and TLB misses can be reduced (and in some cases eliminated) by
331         using huge pages and by constraining the amount of memory used
332         by the application.  Pre-faulting the working set can also be
333         helpful, especially when combined with the mlock() and mlockall()
334         system calls.
335
336 o       Unless all CPUs are idle, at least one CPU must keep the
337         scheduling-clock interrupt going in order to support accurate
338         timekeeping.
339
340 o       If there might potentially be some adaptive-ticks CPUs, there
341         will be at least one CPU keeping the scheduling-clock interrupt
342         going, even if all CPUs are otherwise idle.
343
344         Better handling of this situation is ongoing work.
345
346 o       Some process-handling operations still require the occasional
347         scheduling-clock tick.  These operations include calculating CPU
348         load, maintaining sched average, computing CFS entity vruntime,
349         computing avenrun, and carrying out load balancing.  They are
350         currently accommodated by scheduling-clock tick every second
351         or so.  On-going work will eliminate the need even for these
352         infrequent scheduling-clock ticks.