Linux 内核的 CPU 负载均衡机制：原理、流程和优化

CPU 负载均衡是指在多核或多处理器的系统中，将运行中的进程或者任务分配到不同的 CPU 上，使得每个 CPU 的负载尽可能地平衡，从而提高系统的性能和效率。CPU 负载均衡是 Linux 内核的一个重要功能，它可以让 Linux 系统充分利用多核或多处理器的优势，适应不同的应用场景和需求。但是，你真的了解 Linux 内核的 CPU 负载均衡机制吗？你知道它的工作原理、流程和优化方法吗？本文将为你详细介绍 Linux 内核的 CPU 负载均衡机制的相关知识，让你在 Linux 下更好地使用和理解这个强大的内核功能。

还是神奇的进程调度问题引发的，参看Linux进程组调度机制分析，组调度机制是看清楚了，发现在重启过程中，很多内核调用栈阻塞在了double_rq_lock函数上，而double_rq_lock则是load_balance触发的，怀疑当时的核间调度出现了问题，在某个负责场景下产生了多核互锁，后面看了一下CPU负载平衡下的代码实现，写一下总结。

内核代码版本：kernel-3.0.13-0.27。

内核代码函数起自load_balance函数,从load_balance函数看引用它的函数可以一直找到schedule函数这里，便从这里开始往下看，在__schedule中有下面一句话。

if (unlikely(!rq->nr_running))
   idle_balance(cpu, rq);

从上面可以看出什么时候内核会尝试进行CPU负载平衡：即当前CPU运行队列为NULL的时候。
CPU负载平衡有两种方式：pull和push，即空闲CPU从其他忙的CPU队列中拉一个进程到当前CPU队列；或者忙的CPU队列将一个进程推送到空闲的CPU队列中。idle_balance干的则是pull的事情，具体push下面会提到。
在idle_balance里面，有一个proc阀门控制当前CPU是否pull:

if (this_rq->avg_idle return;

sysctl_sched_migration_cost对应proc控制文件是/proc/sys/kernel/sched_migration_cost，开关代表如果CPU队列空闲了500us（sysctl_sched_migration_cost默认值）以上，则进行pull，否则则返回。
for_each_domain(this_cpu, sd) 则是遍历当前CPU所在的调度域，可以直观的理解成一个CPU组，类似task_group，核间平衡指组内的平衡。负载平衡有一个矛盾就是：负载平衡的频度和CPU cache的命中率是矛盾的，CPU调度域就是将各个CPU分成层次不同的组，低层次搞定的平衡就绝不上升到高层次处理，避免影响cache的命中率。

图例如下;

最终通过load_balance进入正题。

首先通过find_busiest_group获取当前调度域中的最忙的调度组，首先update_sd_lb_stats更新sd的状态，也就是遍历对应的sd，将sds里面的结构体数据填满，如下：

struct sd_lb_stats {
    struct sched_group *busiest; /* Busiest group in this sd */
    struct sched_group *this;  /* Local group in this sd */
    unsigned long total_load;  /* Total load of all groups in sd */
    unsigned long total_pwr;   /*    Total power of all groups in sd */
    unsigned long avg_load;       /* Average load across all groups in sd */
 
    /** Statistics of this group */
    unsigned long this_load; //当前调度组的负载
    unsigned long this_load_per_task; //当前调度组的平均负载
    unsigned long this_nr_running; //当前调度组内运行队列中进程的总数
    unsigned long this_has_capacity;
    unsigned int  this_idle_cpus;
 
    /* Statistics of the busiest group */
    unsigned int  busiest_idle_cpus;
    unsigned long max_load; //最忙的组的负载量
    unsigned long busiest_load_per_task; //最忙的组中平均每个任务的负载量
    unsigned long busiest_nr_running; //最忙的组中所有运行队列中进程的个数
    unsigned long busiest_group_capacity;
    unsigned long busiest_has_capacity;
    unsigned int  busiest_group_weight;

do
{
local_group = cpumask_test_cpu(this_cpu, sched_group_cpus(sg));
         if (local_group) {
                      //如果是当前CPU上的group，则进行赋值
            sds->this_load = sgs.avg_load;
            sds->this = sg;
            sds->this_nr_running = sgs.sum_nr_running;
            sds->this_load_per_task = sgs.sum_weighted_load;
            sds->this_has_capacity = sgs.group_has_capacity;
            sds->this_idle_cpus = sgs.idle_cpus;
        } else if (update_sd_pick_busiest(sd, sds, sg, &sgs, this_cpu)) {
                     //在update_sd_pick_busiest判断当前sgs的是否超过了之前的最大值，如果是
                     //则将sgs值赋给sds
            sds->max_load = sgs.avg_load;
            sds->busiest = sg;
            sds->busiest_nr_running = sgs.sum_nr_running;
            sds->busiest_idle_cpus = sgs.idle_cpus;
            sds->busiest_group_capacity = sgs.group_capacity;
            sds->busiest_load_per_task = sgs.sum_weighted_load;
            sds->busiest_has_capacity = sgs.group_has_capacity;
            sds->busiest_group_weight = sgs.group_weight;
            sds->group_imb = sgs.group_imb;
        }
        sg = sg->next;
} while (sg != sd->groups);

决定选择调度域中最忙的组的参照标准是该组内所有 CPU上负载(load) 的和， 找到组中找到忙的运行队列的参照标准是该CPU运行队列的长度， 即负载，并且 load 值越大就表示越忙。在平衡的过程中，通过比较当前队列与以前记录的busiest 的负载情况，及时更新这些变量，让 busiest 始终指向域内最忙的一组，以便于查找。
调度域的平均负载计算

sds.avg_load = (SCHED_POWER_SCALE * sds.total_load) / sds.total_pwr;
if (sds.this_load >= sds.avg_load)
    goto out_balanced;

在比较负载大小的过程中， 当发现当前运行的CPU所在的组中busiest为空时，或者当前正在运行的 CPU队列就是最忙的时， 或者当前 CPU队列的负载不小于本组内的平均负载时，或者不平衡的额度不大时，都会返回 NULL 值，即组组之间不需要进行平衡；当最忙的组的负载小于该调度域的平均负载时，只需要进行小范围的负载平衡；当要转移的任务量小于每个进程的平均负载时，如此便拿到了最忙的调度组。
然后find_busiest_queue中找到最忙的调度队列，遍历该组中的所有 CPU 队列，经过依次比较各个队列的负载，找到最忙的那个队列。

or_each_cpu(i, sched_group_cpus(group)) {
/*rq->cpu_power表示所在处理器的计算能力,在函式sched_init初始化时,会把这值设定为SCHED_LOAD_SCALE (=Nice 0的Load Weight=1024).并可透过函式update_cpu_power (in kernel/sched_fair.c)更新这个值.*/
        unsigned long power = power_of(i);
        unsigned long capacity = DIV_ROUND_CLOSEST(power,SCHED_POWER_SCALE);
        unsigned long wl;
        if (!cpumask_test_cpu(i, cpus))
            continue;
 
        rq = cpu_rq(i);
/*获取队列负载cpu_rq(cpu)->load.weight;*/
        wl = weighted_cpuload(i);
 
        /*
         * When comparing with imbalance, use weighted_cpuload()
         * which is not scaled with the cpu power.
         */
        if (capacity && rq->nr_running == 1 && wl > imbalance)
            continue;
 
        /*
         * For the load comparisons with the other cpu's, consider
         * the weighted_cpuload() scaled with the cpu power, so that
         * the load can be moved away from the cpu that is potentially
         * running at a lower capacity.
         */
        wl = (wl * SCHED_POWER_SCALE) / power;
 
        if (wl > max_load) {
            max_load = wl;
            busiest = rq;
        }

通过上面的计算，便拿到了最忙队列。
当busiest->nr_running运行数大于1的时候，进行pull操作，pull前对move_tasks,先进行double_rq_lock加锁处理。

double_rq_lock(this_rq, busiest);
ld_moved = move_tasks(this_rq, this_cpu, busiest,
        imbalance, sd, idle, &all_pinned);
double_rq_unlock(this_rq, busiest);

move_tasks进程pull task是允许失败的，即move_tasks->balance_tasks，在此处，有sysctl_sched_nr_migrate开关控制进程迁移个数，对应proc的是/proc/sys/kernel/sched_nr_migrate。
下面有can_migrate_task函数检查选定的进程是否可以进行迁移，迁移失败的原因有3个，1.迁移的进程处于运行状态；2.进程被绑核了，不能迁移到目标CPU上；3.进程的cache仍然是hot，此处也是为了保证cache命中率。

    /*关于cache cold的情况下，如果迁移失败的个数太多，仍然进行迁移
     * Aggressive migration if:
     * 1) task is cache cold, or
     * 2) too many balance attempts have failed.
     */
 
    tsk_cache_hot = task_hot(p, rq->clock_task, sd);
    if (!tsk_cache_hot ||
        sd->nr_balance_failed > sd->cache_nice_tries) {
#ifdef CONFIG_SCHEDSTATS
        if (tsk_cache_hot) {
            schedstat_inc(sd, lb_hot_gained[idle]);
            schedstat_inc(p, se.statistics.nr_forced_migrations);
        }
#endif
        return 1;
    }

判断进程cache是否有效，判断条件，进程的运行的时间大于proc控制开关sysctl_sched_migration_cost，对应目录/proc/sys/kernel/sched_migration_cost_ns

static int
task_hot(struct task_struct *p, u64 now, struct sched_domain *sd)
{
        s64 delta;
    delta = now - p->se.exec_start;
    return delta 

在load_balance中，move_tasks返回失败也就是ld_moved==0，其中sd->nr_balance_failed++对应can_migrate_task中的”too many balance attempts have failed”,然后busiest->active_balance = 1设置，active_balance = 1。

if (active_balance)
//如果pull失败了，开始触发push操作
stop_one_cpu_nowait(cpu_of(busiest),
    active_load_balance_cpu_stop, busiest,
    &busiest->active_balance_work);

push整个触发操作代码机制比较绕，stop_one_cpu_nowait把active_load_balance_cpu_stop添加到cpu_stopper每CPU变量的任务队列里面，如下：

void stop_one_cpu_nowait(unsigned int cpu, cpu_stop_fn_t fn, void *arg,
            struct cpu_stop_work *work_buf)
{
    *work_buf = (struct cpu_stop_work){ .fn = fn, .arg = arg, };
    cpu_stop_queue_work(&per_cpu(cpu_stopper, cpu), work_buf);
}

而cpu_stopper则是cpu_stop_init函数通过cpu_stop_cpu_callback创建的migration内核线程，触发任务队列调度。因为migration内核线程是绑定每个核心上的，进程迁移失败的1和3问题就可以通过push解决。active_load_balance_cpu_stop则调用move_one_task函数迁移指定的进程。

上面描述的则是整个pull和push的过程，需要补充的pull触发除了schedule后触发，还有scheduler_tick通过触发中断，调用run_rebalance_domains再调用rebalance_domains触发，不再细数。

void __init sched_init(void)
{
      open_softirq(SCHED_SOFTIRQ, run_rebalance_domains);
}

通过本文，你应该对 Linux 内核的 CPU 负载均衡机制有了一个深入的了解，知道了它的定义、原理、流程和优化方法。你也应该明白了 CPU 负载均衡机制的作用和影响，以及如何在 Linux 下正确地使用和配置它。我们建议你在使用多核或多处理器的 Linux 系统时，使用 CPU 负载均衡机制来提高系统的性能和效率。同时，我们也提醒你在使用 CPU 负载均衡机制时要注意一些潜在的问题和挑战，如负载均衡策略、能耗、调度延迟等。希望本文能够帮助你更好地使用 Linux 系统，让你在 Linux 下享受 CPU 负载均衡机制的优势和便利。

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