kernel/sched/pelt.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * Per Entity Load Tracking (PELT)
   4  *
   5  *  Copyright (C) 2007 Red Hat, Inc., Ingo Molnar <mingo@redhat.com>
   6  *
   7  *  Interactivity improvements by Mike Galbraith
   8  *  (C) 2007 Mike Galbraith <efault@gmx.de>
   9  *
  10  *  Various enhancements by Dmitry Adamushko.
  11  *  (C) 2007 Dmitry Adamushko <dmitry.adamushko@gmail.com>
  12  *
  13  *  Group scheduling enhancements by Srivatsa Vaddagiri
  14  *  Copyright IBM Corporation, 2007
  15  *  Author: Srivatsa Vaddagiri <vatsa@linux.vnet.ibm.com>
  16  *
  17  *  Scaled math optimizations by Thomas Gleixner
  18  *  Copyright (C) 2007, Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de>
  19  *
  20  *  Adaptive scheduling granularity, math enhancements by Peter Zijlstra
  21  *  Copyright (C) 2007 Red Hat, Inc., Peter Zijlstra
  22  *
  23  *  Move PELT related code from fair.c into this pelt.c file
  24  *  Author: Vincent Guittot <vincent.guittot@linaro.org>
  25  */
  26
  27 /*
  28  * Approximate:
  29  *   val * y^n,    where y^32 ~= 0.5 (~1 scheduling period)
  30  */
  31 static u64 decay_load(u64 val, u64 n)
  32 {
  33         unsigned int local_n;
  34
  35         if (unlikely(n > LOAD_AVG_PERIOD * 63))
  36                 return 0;
  37
  38         /* after bounds checking we can collapse to 32-bit */
  39         local_n = n;
  40
  41         /*
  42          * As y^PERIOD = 1/2, we can combine
  43          *    y^n = 1/2^(n/PERIOD) * y^(n%PERIOD)
  44          * With a look-up table which covers y^n (n<PERIOD)
  45          *
  46          * To achieve constant time decay_load.
  47          */
  48         if (unlikely(local_n >= LOAD_AVG_PERIOD)) {
  49                 val >>= local_n / LOAD_AVG_PERIOD;
  50                 local_n %= LOAD_AVG_PERIOD;
  51         }
  52
  53         val = mul_u64_u32_shr(val, runnable_avg_yN_inv[local_n], 32);
  54         return val;
  55 }
  56
  57 static u32 __accumulate_pelt_segments(u64 periods, u32 d1, u32 d3)
  58 {
  59         u32 c1, c2, c3 = d3; /* y^0 == 1 */
  60
  61         /*
  62          * c1 = d1 y^p
  63          */
  64         c1 = decay_load((u64)d1, periods);
  65
  66         /*
  67          *            p-1
  68          * c2 = 1024 \Sum y^n
  69          *            n=1
  70          *
  71          *              inf        inf
  72          *    = 1024 ( \Sum y^n - \Sum y^n - y^0 )
  73          *              n=0        n=p
  74          */
  75         c2 = LOAD_AVG_MAX - decay_load(LOAD_AVG_MAX, periods) - 1024;
  76
  77         return c1 + c2 + c3;
  78 }
  79
  80 /*
  81  * Accumulate the three separate parts of the sum; d1 the remainder
  82  * of the last (incomplete) period, d2 the span of full periods and d3
  83  * the remainder of the (incomplete) current period.
  84  *
  85  *           d1          d2           d3
  86  *           ^           ^            ^
  87  *           |           |            |
  88  *         |<->|<----------------->|<--->|
  89  * ... |---x---|------| ... |------|-----x (now)
  90  *
  91  *                           p-1
  92  * u' = (u + d1) y^p + 1024 \Sum y^n + d3 y^0
  93  *                           n=1
  94  *
  95  *    = u y^p +                                 (Step 1)
  96  *
  97  *                     p-1
  98  *      d1 y^p + 1024 \Sum y^n + d3 y^0         (Step 2)
  99  *                     n=1
 100  */
 101 static __always_inline u32
 102 accumulate_sum(u64 delta, struct sched_avg *sa,
 103                unsigned long load, unsigned long runnable, int running)
 104 {
 105         u32 contrib = (u32)delta; /* p == 0 -> delta < 1024 */
 106         u64 periods;
 107
 108         delta += sa->period_contrib;
 109         periods = delta / 1024; /* A period is 1024us (~1ms) */
 110
 111         /*
 112          * Step 1: decay old *_sum if we crossed period boundaries.
 113          */
 114         if (periods) {
 115                 sa->load_sum = decay_load(sa->load_sum, periods);
 116                 sa->runnable_sum =
 117                         decay_load(sa->runnable_sum, periods);
 118                 sa->util_sum = decay_load((u64)(sa->util_sum), periods);
 119
 120                 /*
 121                  * Step 2
 122                  */
 123                 delta %= 1024;
 124                 if (load) {
 125                         /*
 126                          * This relies on the:
 127                          *
 128                          * if (!load)
 129                          *      runnable = running = 0;
 130                          *
 131                          * clause from ___update_load_sum(); this results in
 132                          * the below usage of @contrib to disappear entirely,
 133                          * so no point in calculating it.
 134                          */
 135                         contrib = __accumulate_pelt_segments(periods,
 136                                         1024 - sa->period_contrib, delta);
 137                 }
 138         }
 139         sa->period_contrib = delta;
 140
 141         if (load)
 142                 sa->load_sum += load * contrib;
 143         if (runnable)
 144                 sa->runnable_sum += runnable * contrib << SCHED_CAPACITY_SHIFT;
 145         if (running)
 146                 sa->util_sum += contrib << SCHED_CAPACITY_SHIFT;
 147
 148         return periods;
 149 }
 150
 151 /*
 152  * We can represent the historical contribution to runnable average as the
 153  * coefficients of a geometric series.  To do this we sub-divide our runnable
 154  * history into segments of approximately 1ms (1024us); label the segment that
 155  * occurred N-ms ago p_N, with p_0 corresponding to the current period, e.g.
 156  *
 157  * [<- 1024us ->|<- 1024us ->|<- 1024us ->| ...
 158  *      p0            p1           p2
 159  *     (now)       (~1ms ago)  (~2ms ago)
 160  *
 161  * Let u_i denote the fraction of p_i that the entity was runnable.
 162  *
 163  * We then designate the fractions u_i as our co-efficients, yielding the
 164  * following representation of historical load:
 165  *   u_0 + u_1*y + u_2*y^2 + u_3*y^3 + ...
 166  *
 167  * We choose y based on the with of a reasonably scheduling period, fixing:
 168  *   y^32 = 0.5
 169  *
 170  * This means that the contribution to load ~32ms ago (u_32) will be weighted
 171  * approximately half as much as the contribution to load within the last ms
 172  * (u_0).
 173  *
 174  * When a period "rolls over" and we have new u_0`, multiplying the previous
 175  * sum again by y is sufficient to update:
 176  *   load_avg = u_0` + y*(u_0 + u_1*y + u_2*y^2 + ... )
 177  *            = u_0 + u_1*y + u_2*y^2 + ... [re-labeling u_i --> u_{i+1}]
 178  */
 179 static __always_inline int
 180 ___update_load_sum(u64 now, struct sched_avg *sa,
 181                   unsigned long load, unsigned long runnable, int running)
 182 {
 183         u64 delta;
 184
 185         delta = now - sa->last_update_time;
 186         /*
 187          * This should only happen when time goes backwards, which it
 188          * unfortunately does during sched clock init when we swap over to TSC.
 189          */
 190         if ((s64)delta < 0) {
 191                 sa->last_update_time = now;
 192                 return 0;
 193         }
 194
 195         /*
 196          * Use 1024ns as the unit of measurement since it's a reasonable
 197          * approximation of 1us and fast to compute.
 198          */
 199         delta >>= 10;
 200         if (!delta)
 201                 return 0;
 202
 203         sa->last_update_time += delta << 10;
 204
 205         /*
 206          * running is a subset of runnable (weight) so running can't be set if
 207          * runnable is clear. But there are some corner cases where the current
 208          * se has been already dequeued but cfs_rq->curr still points to it.
 209          * This means that weight will be 0 but not running for a sched_entity
 210          * but also for a cfs_rq if the latter becomes idle. As an example,
 211          * this happens during idle_balance() which calls
 212          * update_blocked_averages().
 213          *
 214          * Also see the comment in accumulate_sum().
 215          */
 216         if (!load)
 217                 runnable = running = 0;
 218
 219         /*
 220          * Now we know we crossed measurement unit boundaries. The *_avg
 221          * accrues by two steps:
 222          *
 223          * Step 1: accumulate *_sum since last_update_time. If we haven't
 224          * crossed period boundaries, finish.
 225          */
 226         if (!accumulate_sum(delta, sa, load, runnable, running))
 227                 return 0;
 228
 229         return 1;
 230 }
 231
 232 /*
 233  * When syncing *_avg with *_sum, we must take into account the current
 234  * position in the PELT segment otherwise the remaining part of the segment
 235  * will be considered as idle time whereas it's not yet elapsed and this will
 236  * generate unwanted oscillation in the range [1002..1024[.
 237  *
 238  * The max value of *_sum varies with the position in the time segment and is
 239  * equals to :
 240  *
 241  *   LOAD_AVG_MAX*y + sa->period_contrib
 242  *
 243  * which can be simplified into:
 244  *
 245  *   LOAD_AVG_MAX - 1024 + sa->period_contrib
 246  *
 247  * because LOAD_AVG_MAX*y == LOAD_AVG_MAX-1024
 248  *
 249  * The same care must be taken when a sched entity is added, updated or
 250  * removed from a cfs_rq and we need to update sched_avg. Scheduler entities
 251  * and the cfs rq, to which they are attached, have the same position in the
 252  * time segment because they use the same clock. This means that we can use
 253  * the period_contrib of cfs_rq when updating the sched_avg of a sched_entity
 254  * if it's more convenient.
 255  */
 256 static __always_inline void
 257 ___update_load_avg(struct sched_avg *sa, unsigned long load)
 258 {
 259         u32 divider = get_pelt_divider(sa);
 260
 261         /*
 262          * Step 2: update *_avg.
 263          */
 264         sa->load_avg = div_u64(load * sa->load_sum, divider);
 265         sa->runnable_avg = div_u64(sa->runnable_sum, divider);
 266         WRITE_ONCE(sa->util_avg, sa->util_sum / divider);
 267 }
 268
 269 /*
 270  * sched_entity:
 271  *
 272  *   task:
 273  *     se_weight()   = se->load.weight
 274  *     se_runnable() = !!on_rq
 275  *
 276  *   group: [ see update_cfs_group() ]
 277  *     se_weight()   = tg->weight * grq->load_avg / tg->load_avg
 278  *     se_runnable() = grq->h_nr_running
 279  *
 280  *   runnable_sum = se_runnable() * runnable = grq->runnable_sum
 281  *   runnable_avg = runnable_sum
 282  *
 283  *   load_sum := runnable
 284  *   load_avg = se_weight(se) * load_sum
 285  *
 286  * cfq_rq:
 287  *
 288  *   runnable_sum = \Sum se->avg.runnable_sum
 289  *   runnable_avg = \Sum se->avg.runnable_avg
 290  *
 291  *   load_sum = \Sum se_weight(se) * se->avg.load_sum
 292  *   load_avg = \Sum se->avg.load_avg
 293  */
 294
 295 int __update_load_avg_blocked_se(u64 now, struct sched_entity *se)
 296 {
 297         if (___update_load_sum(now, &se->avg, 0, 0, 0)) {
 298                 ___update_load_avg(&se->avg, se_weight(se));
 299                 trace_pelt_se_tp(se);
 300                 return 1;
 301         }
 302
 303         return 0;
 304 }
 305
 306 int __update_load_avg_se(u64 now, struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
 307 {
 308         if (___update_load_sum(now, &se->avg, !!se->on_rq, se_runnable(se),
 309                                 cfs_rq->curr == se)) {
 310
 311                 ___update_load_avg(&se->avg, se_weight(se));
 312                 cfs_se_util_change(&se->avg);
 313                 trace_pelt_se_tp(se);
 314                 return 1;
 315         }
 316
 317         return 0;
 318 }
 319
 320 int __update_load_avg_cfs_rq(u64 now, struct cfs_rq *cfs_rq)
 321 {
 322         if (___update_load_sum(now, &cfs_rq->avg,
 323                                 scale_load_down(cfs_rq->load.weight),
 324                                 cfs_rq->h_nr_running,
 325                                 cfs_rq->curr != NULL)) {
 326
 327                 ___update_load_avg(&cfs_rq->avg, 1);
 328                 trace_pelt_cfs_tp(cfs_rq);
 329                 return 1;
 330         }
 331
 332         return 0;
 333 }
 334
 335 /*
 336  * rt_rq:
 337  *
 338  *   util_sum = \Sum se->avg.util_sum but se->avg.util_sum is not tracked
 339  *   util_sum = cpu_scale * load_sum
 340  *   runnable_sum = util_sum
 341  *
 342  *   load_avg and runnable_avg are not supported and meaningless.
 343  *
 344  */
 345
 346 int update_rt_rq_load_avg(u64 now, struct rq *rq, int running)
 347 {
 348         if (___update_load_sum(now, &rq->avg_rt,
 349                                 running,
 350                                 running,
 351                                 running)) {
 352
 353                 ___update_load_avg(&rq->avg_rt, 1);
 354                 trace_pelt_rt_tp(rq);
 355                 return 1;
 356         }
 357
 358         return 0;
 359 }
 360
 361 /*
 362  * dl_rq:
 363  *
 364  *   util_sum = \Sum se->avg.util_sum but se->avg.util_sum is not tracked
 365  *   util_sum = cpu_scale * load_sum
 366  *   runnable_sum = util_sum
 367  *
 368  *   load_avg and runnable_avg are not supported and meaningless.
 369  *
 370  */
 371
 372 int update_dl_rq_load_avg(u64 now, struct rq *rq, int running)
 373 {
 374         if (___update_load_sum(now, &rq->avg_dl,
 375                                 running,
 376                                 running,
 377                                 running)) {
 378
 379                 ___update_load_avg(&rq->avg_dl, 1);
 380                 trace_pelt_dl_tp(rq);
 381                 return 1;
 382         }
 383
 384         return 0;
 385 }
 386
 387 #ifdef CONFIG_SCHED_THERMAL_PRESSURE
 388 /*
 389  * thermal:
 390  *
 391  *   load_sum = \Sum se->avg.load_sum but se->avg.load_sum is not tracked
 392  *
 393  *   util_avg and runnable_load_avg are not supported and meaningless.
 394  *
 395  * Unlike rt/dl utilization tracking that track time spent by a cpu
 396  * running a rt/dl task through util_avg, the average thermal pressure is
 397  * tracked through load_avg. This is because thermal pressure signal is
 398  * time weighted "delta" capacity unlike util_avg which is binary.
 399  * "delta capacity" =  actual capacity  -
 400  *                      capped capacity a cpu due to a thermal event.
 401  */
 402
 403 int update_thermal_load_avg(u64 now, struct rq *rq, u64 capacity)
 404 {
 405         if (___update_load_sum(now, &rq->avg_thermal,
 406                                capacity,
 407                                capacity,
 408                                capacity)) {
 409                 ___update_load_avg(&rq->avg_thermal, 1);
 410                 trace_pelt_thermal_tp(rq);
 411                 return 1;
 412         }
 413
 414         return 0;
 415 }
 416 #endif
 417
 418 #ifdef CONFIG_HAVE_SCHED_AVG_IRQ
 419 /*
 420  * irq:
 421  *
 422  *   util_sum = \Sum se->avg.util_sum but se->avg.util_sum is not tracked
 423  *   util_sum = cpu_scale * load_sum
 424  *   runnable_sum = util_sum
 425  *
 426  *   load_avg and runnable_avg are not supported and meaningless.
 427  *
 428  */
 429
 430 int update_irq_load_avg(struct rq *rq, u64 running)
 431 {
 432         int ret = 0;
 433
 434         /*
 435          * We can't use clock_pelt because irq time is not accounted in
 436          * clock_task. Instead we directly scale the running time to
 437          * reflect the real amount of computation
 438          */
 439         running = cap_scale(running, arch_scale_freq_capacity(cpu_of(rq)));
 440         running = cap_scale(running, arch_scale_cpu_capacity(cpu_of(rq)));
 441
 442         /*
 443          * We know the time that has been used by interrupt since last update
 444          * but we don't when. Let be pessimistic and assume that interrupt has
 445          * happened just before the update. This is not so far from reality
 446          * because interrupt will most probably wake up task and trig an update
 447          * of rq clock during which the metric is updated.
 448          * We start to decay with normal context time and then we add the
 449          * interrupt context time.
 450          * We can safely remove running from rq->clock because
 451          * rq->clock += delta with delta >= running
 452          */
 453         ret = ___update_load_sum(rq->clock - running, &rq->avg_irq,
 454                                 0,
 455                                 0,
 456                                 0);
 457         ret += ___update_load_sum(rq->clock, &rq->avg_irq,
 458                                 1,
 459                                 1,
 460                                 1);
 461
 462         if (ret) {
 463                 ___update_load_avg(&rq->avg_irq, 1);
 464                 trace_pelt_irq_tp(rq);
 465         }
 466
 467         return ret;
 468 }
 469 #endif