kernel/sched/loadavg.c

   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 void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift)
  73 {
  74         loads[0] = (avenrun[0] + offset) << shift;
  75         loads[1] = (avenrun[1] + offset) << shift;
  76         loads[2] = (avenrun[2] + offset) << shift;
  77 }
  78
  79 long calc_load_fold_active(struct rq *this_rq, long adjust)
  80 {
  81         long nr_active, delta = 0;
  82
  83         nr_active = this_rq->nr_running - adjust;
  84         nr_active += (long)this_rq->nr_uninterruptible;
  85
  86         if (nr_active != this_rq->calc_load_active) {
  87                 delta = nr_active - this_rq->calc_load_active;
  88                 this_rq->calc_load_active = nr_active;
  89         }
  90
  91         return delta;
  92 }
  93
  94 #ifdef CONFIG_NO_HZ_COMMON
  95 /*
  96  * Handle NO_HZ for the global load-average.
  97  *
  98  * Since the above described distributed algorithm to compute the global
  99  * load-average relies on per-CPU sampling from the tick, it is affected by
 100  * NO_HZ.
 101  *
 102  * The basic idea is to fold the nr_active delta into a global NO_HZ-delta upon
 103  * entering NO_HZ state such that we can include this as an 'extra' CPU delta
 104  * when we read the global state.
 105  *
 106  * Obviously reality has to ruin such a delightfully simple scheme:
 107  *
 108  *  - When we go NO_HZ idle during the window, we can negate our sample
 109  *    contribution, causing under-accounting.
 110  *
 111  *    We avoid this by keeping two NO_HZ-delta counters and flipping them
 112  *    when the window starts, thus separating old and new NO_HZ load.
 113  *
 114  *    The only trick is the slight shift in index flip for read vs write.
 115  *
 116  *        0s            5s            10s           15s
 117  *          +10           +10           +10           +10
 118  *        |-|-----------|-|-----------|-|-----------|-|
 119  *    r:0 0 1           1 0           0 1           1 0
 120  *    w:0 1 1           0 0           1 1           0 0
 121  *
 122  *    This ensures we'll fold the old NO_HZ contribution in this window while
 123  *    accumlating the new one.
 124  *
 125  *  - When we wake up from NO_HZ during the window, we push up our
 126  *    contribution, since we effectively move our sample point to a known
 127  *    busy state.
 128  *
 129  *    This is solved by pushing the window forward, and thus skipping the
 130  *    sample, for this CPU (effectively using the NO_HZ-delta for this CPU which
 131  *    was in effect at the time the window opened). This also solves the issue
 132  *    of having to deal with a CPU having been in NO_HZ for multiple LOAD_FREQ
 133  *    intervals.
 134  *
 135  * When making the ILB scale, we should try to pull this in as well.
 136  */
 137 static atomic_long_t calc_load_nohz[2];
 138 static int calc_load_idx;
 139
 140 static inline int calc_load_write_idx(void)
 141 {
 142         int idx = calc_load_idx;
 143
 144         /*
 145          * See calc_global_nohz(), if we observe the new index, we also
 146          * need to observe the new update time.
 147          */
 148         smp_rmb();
 149
 150         /*
 151          * If the folding window started, make sure we start writing in the
 152          * next NO_HZ-delta.
 153          */
 154         if (!time_before(jiffies, READ_ONCE(calc_load_update)))
 155                 idx++;
 156
 157         return idx & 1;
 158 }
 159
 160 static inline int calc_load_read_idx(void)
 161 {
 162         return calc_load_idx & 1;
 163 }
 164
 165 void calc_load_nohz_start(void)
 166 {
 167         struct rq *this_rq = this_rq();
 168         long delta;
 169
 170         /*
 171          * We're going into NO_HZ mode, if there's any pending delta, fold it
 172          * into the pending NO_HZ delta.
 173          */
 174         delta = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
 175         if (delta) {
 176                 int idx = calc_load_write_idx();
 177
 178                 atomic_long_add(delta, &calc_load_nohz[idx]);
 179         }
 180 }
 181
 182 void calc_load_nohz_stop(void)
 183 {
 184         struct rq *this_rq = this_rq();
 185
 186         /*
 187          * If we're still before the pending sample window, we're done.
 188          */
 189         this_rq->calc_load_update = READ_ONCE(calc_load_update);
 190         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
 191                 return;
 192
 193         /*
 194          * We woke inside or after the sample window, this means we're already
 195          * accounted through the nohz accounting, so skip the entire deal and
 196          * sync up for the next window.
 197          */
 198         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update + 10))
 199                 this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
 200 }
 201
 202 static long calc_load_nohz_fold(void)
 203 {
 204         int idx = calc_load_read_idx();
 205         long delta = 0;
 206
 207         if (atomic_long_read(&calc_load_nohz[idx]))
 208                 delta = atomic_long_xchg(&calc_load_nohz[idx], 0);
 209
 210         return delta;
 211 }
 212
 213 /**
 214  * fixed_power_int - compute: x^n, in O(log n) time
 215  *
 216  * @x:         base of the power
 217  * @frac_bits: fractional bits of @x
 218  * @n:         power to raise @x to.
 219  *
 220  * By exploiting the relation between the definition of the natural power
 221  * function: x^n := x*x*...*x (x multiplied by itself for n times), and
 222  * the binary encoding of numbers used by computers: n := \Sum n_i * 2^i,
 223  * (where: n_i \elem {0, 1}, the binary vector representing n),
 224  * we find: x^n := x^(\Sum n_i * 2^i) := \Prod x^(n_i * 2^i), which is
 225  * of course trivially computable in O(log_2 n), the length of our binary
 226  * vector.
 227  */
 228 static unsigned long
 229 fixed_power_int(unsigned long x, unsigned int frac_bits, unsigned int n)
 230 {
 231         unsigned long result = 1UL << frac_bits;
 232
 233         if (n) {
 234                 for (;;) {
 235                         if (n & 1) {
 236                                 result *= x;
 237                                 result += 1UL << (frac_bits - 1);
 238                                 result >>= frac_bits;
 239                         }
 240                         n >>= 1;
 241                         if (!n)
 242                                 break;
 243                         x *= x;
 244                         x += 1UL << (frac_bits - 1);
 245                         x >>= frac_bits;
 246                 }
 247         }
 248
 249         return result;
 250 }
 251
 252 /*
 253  * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
 254  *
 255  * a2 = a1 * e + a * (1 - e)
 256  *    = (a0 * e + a * (1 - e)) * e + a * (1 - e)
 257  *    = a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)
 258  *
 259  * a3 = a2 * e + a * (1 - e)
 260  *    = (a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)) * e + a * (1 - e)
 261  *    = a0 * e^3 + a * (1 - e) * (1 + e + e^2)
 262  *
 263  *  ...
 264  *
 265  * an = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 + e + ... + e^n-1) [1]
 266  *    = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 - e^n)/(1 - e)
 267  *    = a0 * e^n + a * (1 - e^n)
 268  *
 269  * [1] application of the geometric series:
 270  *
 271  *              n         1 - x^(n+1)
 272  *     S_n := \Sum x^i = -------------
 273  *             i=0          1 - x
 274  */
 275 static unsigned long
 276 calc_load_n(unsigned long load, unsigned long exp,
 277             unsigned long active, unsigned int n)
 278 {
 279         return calc_load(load, fixed_power_int(exp, FSHIFT, n), active);
 280 }
 281
 282 /*
 283  * NO_HZ can leave us missing all per-CPU ticks calling
 284  * calc_load_fold_active(), but since a NO_HZ CPU folds its delta into
 285  * calc_load_nohz per calc_load_nohz_start(), all we need to do is fold
 286  * in the pending NO_HZ delta if our NO_HZ period crossed a load cycle boundary.
 287  *
 288  * Once we've updated the global active value, we need to apply the exponential
 289  * weights adjusted to the number of cycles missed.
 290  */
 291 static void calc_global_nohz(void)
 292 {
 293         unsigned long sample_window;
 294         long delta, active, n;
 295
 296         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
 297         if (!time_before(jiffies, sample_window + 10)) {
 298                 /*
 299                  * Catch-up, fold however many we are behind still
 300                  */
 301                 delta = jiffies - sample_window - 10;
 302                 n = 1 + (delta / LOAD_FREQ);
 303
 304                 active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
 305                 active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
 306
 307                 avenrun[0] = calc_load_n(avenrun[0], EXP_1, active, n);
 308                 avenrun[1] = calc_load_n(avenrun[1], EXP_5, active, n);
 309                 avenrun[2] = calc_load_n(avenrun[2], EXP_15, active, n);
 310
 311                 WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + n * LOAD_FREQ);
 312         }
 313
 314         /*
 315          * Flip the NO_HZ index...
 316          *
 317          * Make sure we first write the new time then flip the index, so that
 318          * calc_load_write_idx() will see the new time when it reads the new
 319          * index, this avoids a double flip messing things up.
 320          */
 321         smp_wmb();
 322         calc_load_idx++;
 323 }
 324 #else /* !CONFIG_NO_HZ_COMMON */
 325
 326 static inline long calc_load_nohz_fold(void) { return 0; }
 327 static inline void calc_global_nohz(void) { }
 328
 329 #endif /* CONFIG_NO_HZ_COMMON */
 330
 331 /*
 332  * calc_load - update the avenrun load estimates 10 ticks after the
 333  * CPUs have updated calc_load_tasks.
 334  *
 335  * Called from the global timer code.
 336  */
 337 void calc_global_load(unsigned long ticks)
 338 {
 339         unsigned long sample_window;
 340         long active, delta;
 341
 342         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
 343         if (time_before(jiffies, sample_window + 10))
 344                 return;
 345
 346         /*
 347          * Fold the 'old' NO_HZ-delta to include all NO_HZ CPUs.
 348          */
 349         delta = calc_load_nohz_fold();
 350         if (delta)
 351                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
 352
 353         active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
 354         active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
 355
 356         avenrun[0] = calc_load(avenrun[0], EXP_1, active);
 357         avenrun[1] = calc_load(avenrun[1], EXP_5, active);
 358         avenrun[2] = calc_load(avenrun[2], EXP_15, active);
 359
 360         WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + LOAD_FREQ);
 361
 362         /*
 363          * In case we went to NO_HZ for multiple LOAD_FREQ intervals
 364          * catch up in bulk.
 365          */
 366         calc_global_nohz();
 367 }
 368
 369 /*
 370  * Called from scheduler_tick() to periodically update this CPU's
 371  * active count.
 372  */
 373 void calc_global_load_tick(struct rq *this_rq)
 374 {
 375         long delta;
 376
 377         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
 378                 return;
 379
 380         delta  = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
 381         if (delta)
 382                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
 383
 384         this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
 385 }