Documentation/accounting/psi.rst

   1 .. _psi:
   2
   3 ================================
   4 PSI - Pressure Stall Information
   5 ================================
   6
   7 :Date: April, 2018
   8 :Author: Johannes Weiner <hannes@cmpxchg.org>
   9
  10 When CPU, memory or IO devices are contended, workloads experience
  11 latency spikes, throughput losses, and run the risk of OOM kills.
  12
  13 Without an accurate measure of such contention, users are forced to
  14 either play it safe and under-utilize their hardware resources, or
  15 roll the dice and frequently suffer the disruptions resulting from
  16 excessive overcommit.
  17
  18 The psi feature identifies and quantifies the disruptions caused by
  19 such resource crunches and the time impact it has on complex workloads
  20 or even entire systems.
  21
  22 Having an accurate measure of productivity losses caused by resource
  23 scarcity aids users in sizing workloads to hardware--or provisioning
  24 hardware according to workload demand.
  25
  26 As psi aggregates this information in realtime, systems can be managed
  27 dynamically using techniques such as load shedding, migrating jobs to
  28 other systems or data centers, or strategically pausing or killing low
  29 priority or restartable batch jobs.
  30
  31 This allows maximizing hardware utilization without sacrificing
  32 workload health or risking major disruptions such as OOM kills.
  33
  34 Pressure interface
  35 ==================
  36
  37 Pressure information for each resource is exported through the
  38 respective file in /proc/pressure/ -- cpu, memory, and io.
  39
  40 The format for CPU is as such::
  41
  42         some avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0
  43
  44 and for memory and IO::
  45
  46         some avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0
  47         full avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0
  48
  49 The "some" line indicates the share of time in which at least some
  50 tasks are stalled on a given resource.
  51
  52 The "full" line indicates the share of time in which all non-idle
  53 tasks are stalled on a given resource simultaneously. In this state
  54 actual CPU cycles are going to waste, and a workload that spends
  55 extended time in this state is considered to be thrashing. This has
  56 severe impact on performance, and it's useful to distinguish this
  57 situation from a state where some tasks are stalled but the CPU is
  58 still doing productive work. As such, time spent in this subset of the
  59 stall state is tracked separately and exported in the "full" averages.
  60
  61 The ratios (in %) are tracked as recent trends over ten, sixty, and
  62 three hundred second windows, which gives insight into short term events
  63 as well as medium and long term trends. The total absolute stall time
  64 (in us) is tracked and exported as well, to allow detection of latency
  65 spikes which wouldn't necessarily make a dent in the time averages,
  66 or to average trends over custom time frames.
  67
  68 Monitoring for pressure thresholds
  69 ==================================
  70
  71 Users can register triggers and use poll() to be woken up when resource
  72 pressure exceeds certain thresholds.
  73
  74 A trigger describes the maximum cumulative stall time over a specific
  75 time window, e.g. 100ms of total stall time within any 500ms window to
  76 generate a wakeup event.
  77
  78 To register a trigger user has to open psi interface file under
  79 /proc/pressure/ representing the resource to be monitored and write the
  80 desired threshold and time window. The open file descriptor should be
  81 used to wait for trigger events using select(), poll() or epoll().
  82 The following format is used::
  83
  84         <some|full> <stall amount in us> <time window in us>
  85
  86 For example writing "some 150000 1000000" into /proc/pressure/memory
  87 would add 150ms threshold for partial memory stall measured within
  88 1sec time window. Writing "full 50000 1000000" into /proc/pressure/io
  89 would add 50ms threshold for full io stall measured within 1sec time window.
  90
  91 Triggers can be set on more than one psi metric and more than one trigger
  92 for the same psi metric can be specified. However for each trigger a separate
  93 file descriptor is required to be able to poll it separately from others,
  94 therefore for each trigger a separate open() syscall should be made even
  95 when opening the same psi interface file. Write operations to a file descriptor
  96 with an already existing psi trigger will fail with EBUSY.
  97
  98 Monitors activate only when system enters stall state for the monitored
  99 psi metric and deactivates upon exit from the stall state. While system is
 100 in the stall state psi signal growth is monitored at a rate of 10 times per
 101 tracking window.
 102
 103 The kernel accepts window sizes ranging from 500ms to 10s, therefore min
 104 monitoring update interval is 50ms and max is 1s. Min limit is set to
 105 prevent overly frequent polling. Max limit is chosen as a high enough number
 106 after which monitors are most likely not needed and psi averages can be used
 107 instead.
 108
 109 When activated, psi monitor stays active for at least the duration of one
 110 tracking window to avoid repeated activations/deactivations when system is
 111 bouncing in and out of the stall state.
 112
 113 Notifications to the userspace are rate-limited to one per tracking window.
 114
 115 The trigger will de-register when the file descriptor used to define the
 116 trigger  is closed.
 117
 118 Userspace monitor usage example
 119 ===============================
 120
 121 ::
 122
 123   #include <errno.h>
 124   #include <fcntl.h>
 125   #include <stdio.h>
 126   #include <poll.h>
 127   #include <string.h>
 128   #include <unistd.h>
 129
 130   /*
 131    * Monitor memory partial stall with 1s tracking window size
 132    * and 150ms threshold.
 133    */
 134   int main() {
 135         const char trig[] = "some 150000 1000000";
 136         struct pollfd fds;
 137         int n;
 138
 139         fds.fd = open("/proc/pressure/memory", O_RDWR | O_NONBLOCK);
 140         if (fds.fd < 0) {
 141                 printf("/proc/pressure/memory open error: %s\n",
 142                         strerror(errno));
 143                 return 1;
 144         }
 145         fds.events = POLLPRI;
 146
 147         if (write(fds.fd, trig, strlen(trig) + 1) < 0) {
 148                 printf("/proc/pressure/memory write error: %s\n",
 149                         strerror(errno));
 150                 return 1;
 151         }
 152
 153         printf("waiting for events...\n");
 154         while (1) {
 155                 n = poll(&fds, 1, -1);
 156                 if (n < 0) {
 157                         printf("poll error: %s\n", strerror(errno));
 158                         return 1;
 159                 }
 160                 if (fds.revents & POLLERR) {
 161                         printf("got POLLERR, event source is gone\n");
 162                         return 0;
 163                 }
 164                 if (fds.revents & POLLPRI) {
 165                         printf("event triggered!\n");
 166                 } else {
 167                         printf("unknown event received: 0x%x\n", fds.revents);
 168                         return 1;
 169                 }
 170         }
 171
 172         return 0;
 173   }
 174
 175 Cgroup2 interface
 176 =================
 177
 178 In a system with a CONFIG_CGROUP=y kernel and the cgroup2 filesystem
 179 mounted, pressure stall information is also tracked for tasks grouped
 180 into cgroups. Each subdirectory in the cgroupfs mountpoint contains
 181 cpu.pressure, memory.pressure, and io.pressure files; the format is
 182 the same as the /proc/pressure/ files.
 183
 184 Per-cgroup psi monitors can be specified and used the same way as
 185 system-wide ones.