PELT (Per Entity Load Tracking)

Linux的Per-entity load tracking（PELT，按实体负载跟踪）是内核中用于更精确地跟踪和管理系统负载的一种机制，以下是相关介绍：

背景及目的

  • 在Linux 3.8版本之前的内核CFS调度器采用的是跟踪每个运行队列上的负载（per-rq load tracking），无法准确得知当前CPU上的负载来自哪些任务、每个任务施加多少负载等信息，难以实现更精细的负载均衡和CPU算力调整。
  • PELT算法把负载跟踪从per-rq推进到per-entity的层次，让调度器能获取每个调度实体（进程或控制组中的一组进程）对系统负载的贡献，为更精准的调度算法提供支撑。

基本方法

  • 时间划分：将时间分成1024us的序列，在每个周期中计算一个entity对系统负载的贡献。
  • 瞬时负载计算：任务在1024us的周期窗口内的负载即瞬时负载，若在该周期内runnable的时间是t，引入负载权重loadweight，瞬时负载li = loadweight×(t/1024)。
  • 瞬时利用率计算：任务的瞬时利用率ui = maxcpucapacity×(t/1024)，与任务优先级无关。
  • 平均负载计算：由于瞬时负载和利用率变化快，不适合直接用于调整调度算法，因此需对瞬时负载进行滑动平均计算得到平均负载。一个调度实体的平均负载可以表示为l = l0 + l1×y + l2×y² + l3×y³+…，其中li表示在周期pi中的瞬时负载，y是衰减因子，在目前的内核代码中，y³²等于0.5。

优势

  • 精准负载迁移：在任务迁移时能准确携带其负载信息，避免了之前per-rq跟踪方式下任务迁移时负载计算不准确和可能出现的双重计数问题，使系统全局负载计算更准确，有助于实现更合理的负载均衡。
  • 提供精细调度信息：调度器可以清楚了解每个调度实体的负载情况，根据负载和利用率来更精准地为任务选择合适的CPU，进行迁核或提频等操作，提高系统资源利用率和整体性能，同时有助于实现更优的功耗管理。

实现中的挑战与解决

  • 挑战：非运行状态的实体（如因等待资源而阻塞的进程）也可能对系统负载有贡献，但系统中可能存在大量阻塞实体，若遍历它们来更新负载信息，会带来巨大的性能开销。
  • 解决：在每个CFS_RQ（控制组运行队列）结构中维护一个单独的"blocked load"总和。当进程阻塞时，将其负载从总可运行负载值中减去并添加到阻塞负载中，以与可运行实体负载分开计算和管理，可按相同的衰减因子y进行衰减，当阻塞进程再次变为可运行时，再将其负载进行相应处理。

DVFS

DVFS 即 Dynamic Voltage and Frequency Scaling，意为动态电压和频率缩放。它用于调整 CPU 的电压和频率，以适应不同的工作负载需求，实现性能和功耗的平衡。

  • 在频率 / CPU 不变性部分，由于不同频率下 CPU 的性能表现不同（如在 1GHz 下消耗 50% 的 CPU 与在 2GHz 下消耗 50% 的 CPU 不同），所以允许架构使用 DVFS 比率和微拱形比率来扩展时间增量，使 "运行" 和 "可运行" 指标不受 DVFS 和 CPU 类型的影响，实现指标在不同 CPU 之间的传输和比较12。
  • 在 Schedutil / DVFS 部分，每次调度器负载跟踪更新时，会调用 schedutil 来更新硬件 DVFS 状态，以根据 CPU 运行队列的 "运行" 指标计算所需的频率，进而选择 P-state/OPP 或向硬件发出 CPPC 风格的请求 。在低负载场景下，"运行" 数值能反映利用率，而在饱和场景下任务迁移会使 "运行" 值波动，但时间推移会修正345

DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）即动态电压和频率缩放，工作原理涉及多个方面：

  • 比率计算：对于简单的DVFS架构（软件完全控制），其比率计算为当前频率（f_cur）与最大频率（f_max）的比值，即r_dvfs := f_cur / f_max；对于硬件控制DVFS的动态系统，使用硬件计数器（如Intel APERF/MPERF、ARMv8.4-AMU）来提供比率。以Intel为例，f_cur := APERF / MPERF * P0，f_max根据不同情况取值，r_dvfs := min(1, f_cur / f_max)，并且选择4C涡轮增压而非1C涡轮增压以使其更具可持续性。
  • 指标调整：通过调整频率，使得 "运行" 和 "可运行" 这两个关键指标能够不受DVFS和CPU类型的影响，即实现频率/CPU不变性。这样可以在不同CPU之间传输和比较这些指标，r_cpu由当前CPU最高性能水平与系统中其他CPU最高性能水平的比率确定，r_tot = r_dvfs * r_cpu，从而使上述指标标准化。
  • 与调度器协同工作：每次调度器负载跟踪更新（如任务唤醒、任务迁移、时间推进）时，会调用schedutil更新硬件DVFS状态。依据CPU运行队列的 "运行" 指标（频率不变的CPU利用率估计值）计算所需频率，计算过程会考虑UTIL_EST、UCLAMP_TASK等因素，最终得到期望频率f_des := min( f_max, 1.25 u * f_max )，该频率用于选择P-state/OPP或直接转化为对硬件的CPPC风格请求。