Merge tag 'rust-fixes-6.12' of https://github.com/Rust-for-Linux/linux
[linux-block.git] / drivers / cpuidle / governors / menu.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * menu.c - the menu idle governor
4  *
5  * Copyright (C) 2006-2007 Adam Belay <abelay@novell.com>
6  * Copyright (C) 2009 Intel Corporation
7  * Author:
8  *        Arjan van de Ven <arjan@linux.intel.com>
9  */
10
11 #include <linux/kernel.h>
12 #include <linux/cpuidle.h>
13 #include <linux/time.h>
14 #include <linux/ktime.h>
15 #include <linux/hrtimer.h>
16 #include <linux/tick.h>
17 #include <linux/sched/stat.h>
18 #include <linux/math64.h>
19
20 #include "gov.h"
21
22 #define BUCKETS 12
23 #define INTERVAL_SHIFT 3
24 #define INTERVALS (1UL << INTERVAL_SHIFT)
25 #define RESOLUTION 1024
26 #define DECAY 8
27 #define MAX_INTERESTING (50000 * NSEC_PER_USEC)
28
29 /*
30  * Concepts and ideas behind the menu governor
31  *
32  * For the menu governor, there are 3 decision factors for picking a C
33  * state:
34  * 1) Energy break even point
35  * 2) Performance impact
36  * 3) Latency tolerance (from pmqos infrastructure)
37  * These three factors are treated independently.
38  *
39  * Energy break even point
40  * -----------------------
41  * C state entry and exit have an energy cost, and a certain amount of time in
42  * the  C state is required to actually break even on this cost. CPUIDLE
43  * provides us this duration in the "target_residency" field. So all that we
44  * need is a good prediction of how long we'll be idle. Like the traditional
45  * menu governor, we start with the actual known "next timer event" time.
46  *
47  * Since there are other source of wakeups (interrupts for example) than
48  * the next timer event, this estimation is rather optimistic. To get a
49  * more realistic estimate, a correction factor is applied to the estimate,
50  * that is based on historic behavior. For example, if in the past the actual
51  * duration always was 50% of the next timer tick, the correction factor will
52  * be 0.5.
53  *
54  * menu uses a running average for this correction factor, however it uses a
55  * set of factors, not just a single factor. This stems from the realization
56  * that the ratio is dependent on the order of magnitude of the expected
57  * duration; if we expect 500 milliseconds of idle time the likelihood of
58  * getting an interrupt very early is much higher than if we expect 50 micro
59  * seconds of idle time. A second independent factor that has big impact on
60  * the actual factor is if there is (disk) IO outstanding or not.
61  * (as a special twist, we consider every sleep longer than 50 milliseconds
62  * as perfect; there are no power gains for sleeping longer than this)
63  *
64  * For these two reasons we keep an array of 12 independent factors, that gets
65  * indexed based on the magnitude of the expected duration as well as the
66  * "is IO outstanding" property.
67  *
68  * Repeatable-interval-detector
69  * ----------------------------
70  * There are some cases where "next timer" is a completely unusable predictor:
71  * Those cases where the interval is fixed, for example due to hardware
72  * interrupt mitigation, but also due to fixed transfer rate devices such as
73  * mice.
74  * For this, we use a different predictor: We track the duration of the last 8
75  * intervals and if the stand deviation of these 8 intervals is below a
76  * threshold value, we use the average of these intervals as prediction.
77  *
78  * Limiting Performance Impact
79  * ---------------------------
80  * C states, especially those with large exit latencies, can have a real
81  * noticeable impact on workloads, which is not acceptable for most sysadmins,
82  * and in addition, less performance has a power price of its own.
83  *
84  * As a general rule of thumb, menu assumes that the following heuristic
85  * holds:
86  *     The busier the system, the less impact of C states is acceptable
87  *
88  * This rule-of-thumb is implemented using a performance-multiplier:
89  * If the exit latency times the performance multiplier is longer than
90  * the predicted duration, the C state is not considered a candidate
91  * for selection due to a too high performance impact. So the higher
92  * this multiplier is, the longer we need to be idle to pick a deep C
93  * state, and thus the less likely a busy CPU will hit such a deep
94  * C state.
95  *
96  * Currently there is only one value determining the factor:
97  * 10 points are added for each process that is waiting for IO on this CPU.
98  * (This value was experimentally determined.)
99  * Utilization is no longer a factor as it was shown that it never contributed
100  * significantly to the performance multiplier in the first place.
101  *
102  */
103
104 struct menu_device {
105         int             needs_update;
106         int             tick_wakeup;
107
108         u64             next_timer_ns;
109         unsigned int    bucket;
110         unsigned int    correction_factor[BUCKETS];
111         unsigned int    intervals[INTERVALS];
112         int             interval_ptr;
113 };
114
115 static inline int which_bucket(u64 duration_ns, unsigned int nr_iowaiters)
116 {
117         int bucket = 0;
118
119         /*
120          * We keep two groups of stats; one with no
121          * IO pending, one without.
122          * This allows us to calculate
123          * E(duration)|iowait
124          */
125         if (nr_iowaiters)
126                 bucket = BUCKETS/2;
127
128         if (duration_ns < 10ULL * NSEC_PER_USEC)
129                 return bucket;
130         if (duration_ns < 100ULL * NSEC_PER_USEC)
131                 return bucket + 1;
132         if (duration_ns < 1000ULL * NSEC_PER_USEC)
133                 return bucket + 2;
134         if (duration_ns < 10000ULL * NSEC_PER_USEC)
135                 return bucket + 3;
136         if (duration_ns < 100000ULL * NSEC_PER_USEC)
137                 return bucket + 4;
138         return bucket + 5;
139 }
140
141 /*
142  * Return a multiplier for the exit latency that is intended
143  * to take performance requirements into account.
144  * The more performance critical we estimate the system
145  * to be, the higher this multiplier, and thus the higher
146  * the barrier to go to an expensive C state.
147  */
148 static inline int performance_multiplier(unsigned int nr_iowaiters)
149 {
150         /* for IO wait tasks (per cpu!) we add 10x each */
151         return 1 + 10 * nr_iowaiters;
152 }
153
154 static DEFINE_PER_CPU(struct menu_device, menu_devices);
155
156 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev);
157
158 /*
159  * Try detecting repeating patterns by keeping track of the last 8
160  * intervals, and checking if the standard deviation of that set
161  * of points is below a threshold. If it is... then use the
162  * average of these 8 points as the estimated value.
163  */
164 static unsigned int get_typical_interval(struct menu_device *data)
165 {
166         int i, divisor;
167         unsigned int min, max, thresh, avg;
168         uint64_t sum, variance;
169
170         thresh = INT_MAX; /* Discard outliers above this value */
171
172 again:
173
174         /* First calculate the average of past intervals */
175         min = UINT_MAX;
176         max = 0;
177         sum = 0;
178         divisor = 0;
179         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
180                 unsigned int value = data->intervals[i];
181                 if (value <= thresh) {
182                         sum += value;
183                         divisor++;
184                         if (value > max)
185                                 max = value;
186
187                         if (value < min)
188                                 min = value;
189                 }
190         }
191
192         if (!max)
193                 return UINT_MAX;
194
195         if (divisor == INTERVALS)
196                 avg = sum >> INTERVAL_SHIFT;
197         else
198                 avg = div_u64(sum, divisor);
199
200         /* Then try to determine variance */
201         variance = 0;
202         for (i = 0; i < INTERVALS; i++) {
203                 unsigned int value = data->intervals[i];
204                 if (value <= thresh) {
205                         int64_t diff = (int64_t)value - avg;
206                         variance += diff * diff;
207                 }
208         }
209         if (divisor == INTERVALS)
210                 variance >>= INTERVAL_SHIFT;
211         else
212                 do_div(variance, divisor);
213
214         /*
215          * The typical interval is obtained when standard deviation is
216          * small (stddev <= 20 us, variance <= 400 us^2) or standard
217          * deviation is small compared to the average interval (avg >
218          * 6*stddev, avg^2 > 36*variance). The average is smaller than
219          * UINT_MAX aka U32_MAX, so computing its square does not
220          * overflow a u64. We simply reject this candidate average if
221          * the standard deviation is greater than 715 s (which is
222          * rather unlikely).
223          *
224          * Use this result only if there is no timer to wake us up sooner.
225          */
226         if (likely(variance <= U64_MAX/36)) {
227                 if ((((u64)avg*avg > variance*36) && (divisor * 4 >= INTERVALS * 3))
228                                                         || variance <= 400) {
229                         return avg;
230                 }
231         }
232
233         /*
234          * If we have outliers to the upside in our distribution, discard
235          * those by setting the threshold to exclude these outliers, then
236          * calculate the average and standard deviation again. Once we get
237          * down to the bottom 3/4 of our samples, stop excluding samples.
238          *
239          * This can deal with workloads that have long pauses interspersed
240          * with sporadic activity with a bunch of short pauses.
241          */
242         if ((divisor * 4) <= INTERVALS * 3)
243                 return UINT_MAX;
244
245         thresh = max - 1;
246         goto again;
247 }
248
249 /**
250  * menu_select - selects the next idle state to enter
251  * @drv: cpuidle driver containing state data
252  * @dev: the CPU
253  * @stop_tick: indication on whether or not to stop the tick
254  */
255 static int menu_select(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev,
256                        bool *stop_tick)
257 {
258         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
259         s64 latency_req = cpuidle_governor_latency_req(dev->cpu);
260         u64 predicted_ns;
261         u64 interactivity_req;
262         unsigned int nr_iowaiters;
263         ktime_t delta, delta_tick;
264         int i, idx;
265
266         if (data->needs_update) {
267                 menu_update(drv, dev);
268                 data->needs_update = 0;
269         }
270
271         nr_iowaiters = nr_iowait_cpu(dev->cpu);
272
273         /* Find the shortest expected idle interval. */
274         predicted_ns = get_typical_interval(data) * NSEC_PER_USEC;
275         if (predicted_ns > RESIDENCY_THRESHOLD_NS) {
276                 unsigned int timer_us;
277
278                 /* Determine the time till the closest timer. */
279                 delta = tick_nohz_get_sleep_length(&delta_tick);
280                 if (unlikely(delta < 0)) {
281                         delta = 0;
282                         delta_tick = 0;
283                 }
284
285                 data->next_timer_ns = delta;
286                 data->bucket = which_bucket(data->next_timer_ns, nr_iowaiters);
287
288                 /* Round up the result for half microseconds. */
289                 timer_us = div_u64((RESOLUTION * DECAY * NSEC_PER_USEC) / 2 +
290                                         data->next_timer_ns *
291                                                 data->correction_factor[data->bucket],
292                                    RESOLUTION * DECAY * NSEC_PER_USEC);
293                 /* Use the lowest expected idle interval to pick the idle state. */
294                 predicted_ns = min((u64)timer_us * NSEC_PER_USEC, predicted_ns);
295         } else {
296                 /*
297                  * Because the next timer event is not going to be determined
298                  * in this case, assume that without the tick the closest timer
299                  * will be in distant future and that the closest tick will occur
300                  * after 1/2 of the tick period.
301                  */
302                 data->next_timer_ns = KTIME_MAX;
303                 delta_tick = TICK_NSEC / 2;
304                 data->bucket = which_bucket(KTIME_MAX, nr_iowaiters);
305         }
306
307         if (unlikely(drv->state_count <= 1 || latency_req == 0) ||
308             ((data->next_timer_ns < drv->states[1].target_residency_ns ||
309               latency_req < drv->states[1].exit_latency_ns) &&
310              !dev->states_usage[0].disable)) {
311                 /*
312                  * In this case state[0] will be used no matter what, so return
313                  * it right away and keep the tick running if state[0] is a
314                  * polling one.
315                  */
316                 *stop_tick = !(drv->states[0].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING);
317                 return 0;
318         }
319
320         if (tick_nohz_tick_stopped()) {
321                 /*
322                  * If the tick is already stopped, the cost of possible short
323                  * idle duration misprediction is much higher, because the CPU
324                  * may be stuck in a shallow idle state for a long time as a
325                  * result of it.  In that case say we might mispredict and use
326                  * the known time till the closest timer event for the idle
327                  * state selection.
328                  */
329                 if (predicted_ns < TICK_NSEC)
330                         predicted_ns = data->next_timer_ns;
331         } else {
332                 /*
333                  * Use the performance multiplier and the user-configurable
334                  * latency_req to determine the maximum exit latency.
335                  */
336                 interactivity_req = div64_u64(predicted_ns,
337                                               performance_multiplier(nr_iowaiters));
338                 if (latency_req > interactivity_req)
339                         latency_req = interactivity_req;
340         }
341
342         /*
343          * Find the idle state with the lowest power while satisfying
344          * our constraints.
345          */
346         idx = -1;
347         for (i = 0; i < drv->state_count; i++) {
348                 struct cpuidle_state *s = &drv->states[i];
349
350                 if (dev->states_usage[i].disable)
351                         continue;
352
353                 if (idx == -1)
354                         idx = i; /* first enabled state */
355
356                 if (s->target_residency_ns > predicted_ns) {
357                         /*
358                          * Use a physical idle state, not busy polling, unless
359                          * a timer is going to trigger soon enough.
360                          */
361                         if ((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
362                             s->exit_latency_ns <= latency_req &&
363                             s->target_residency_ns <= data->next_timer_ns) {
364                                 predicted_ns = s->target_residency_ns;
365                                 idx = i;
366                                 break;
367                         }
368                         if (predicted_ns < TICK_NSEC)
369                                 break;
370
371                         if (!tick_nohz_tick_stopped()) {
372                                 /*
373                                  * If the state selected so far is shallow,
374                                  * waking up early won't hurt, so retain the
375                                  * tick in that case and let the governor run
376                                  * again in the next iteration of the loop.
377                                  */
378                                 predicted_ns = drv->states[idx].target_residency_ns;
379                                 break;
380                         }
381
382                         /*
383                          * If the state selected so far is shallow and this
384                          * state's target residency matches the time till the
385                          * closest timer event, select this one to avoid getting
386                          * stuck in the shallow one for too long.
387                          */
388                         if (drv->states[idx].target_residency_ns < TICK_NSEC &&
389                             s->target_residency_ns <= delta_tick)
390                                 idx = i;
391
392                         return idx;
393                 }
394                 if (s->exit_latency_ns > latency_req)
395                         break;
396
397                 idx = i;
398         }
399
400         if (idx == -1)
401                 idx = 0; /* No states enabled. Must use 0. */
402
403         /*
404          * Don't stop the tick if the selected state is a polling one or if the
405          * expected idle duration is shorter than the tick period length.
406          */
407         if (((drv->states[idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) ||
408              predicted_ns < TICK_NSEC) && !tick_nohz_tick_stopped()) {
409                 *stop_tick = false;
410
411                 if (idx > 0 && drv->states[idx].target_residency_ns > delta_tick) {
412                         /*
413                          * The tick is not going to be stopped and the target
414                          * residency of the state to be returned is not within
415                          * the time until the next timer event including the
416                          * tick, so try to correct that.
417                          */
418                         for (i = idx - 1; i >= 0; i--) {
419                                 if (dev->states_usage[i].disable)
420                                         continue;
421
422                                 idx = i;
423                                 if (drv->states[i].target_residency_ns <= delta_tick)
424                                         break;
425                         }
426                 }
427         }
428
429         return idx;
430 }
431
432 /**
433  * menu_reflect - records that data structures need update
434  * @dev: the CPU
435  * @index: the index of actual entered state
436  *
437  * NOTE: it's important to be fast here because this operation will add to
438  *       the overall exit latency.
439  */
440 static void menu_reflect(struct cpuidle_device *dev, int index)
441 {
442         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
443
444         dev->last_state_idx = index;
445         data->needs_update = 1;
446         data->tick_wakeup = tick_nohz_idle_got_tick();
447 }
448
449 /**
450  * menu_update - attempts to guess what happened after entry
451  * @drv: cpuidle driver containing state data
452  * @dev: the CPU
453  */
454 static void menu_update(struct cpuidle_driver *drv, struct cpuidle_device *dev)
455 {
456         struct menu_device *data = this_cpu_ptr(&menu_devices);
457         int last_idx = dev->last_state_idx;
458         struct cpuidle_state *target = &drv->states[last_idx];
459         u64 measured_ns;
460         unsigned int new_factor;
461
462         /*
463          * Try to figure out how much time passed between entry to low
464          * power state and occurrence of the wakeup event.
465          *
466          * If the entered idle state didn't support residency measurements,
467          * we use them anyway if they are short, and if long,
468          * truncate to the whole expected time.
469          *
470          * Any measured amount of time will include the exit latency.
471          * Since we are interested in when the wakeup begun, not when it
472          * was completed, we must subtract the exit latency. However, if
473          * the measured amount of time is less than the exit latency,
474          * assume the state was never reached and the exit latency is 0.
475          */
476
477         if (data->tick_wakeup && data->next_timer_ns > TICK_NSEC) {
478                 /*
479                  * The nohz code said that there wouldn't be any events within
480                  * the tick boundary (if the tick was stopped), but the idle
481                  * duration predictor had a differing opinion.  Since the CPU
482                  * was woken up by a tick (that wasn't stopped after all), the
483                  * predictor was not quite right, so assume that the CPU could
484                  * have been idle long (but not forever) to help the idle
485                  * duration predictor do a better job next time.
486                  */
487                 measured_ns = 9 * MAX_INTERESTING / 10;
488         } else if ((drv->states[last_idx].flags & CPUIDLE_FLAG_POLLING) &&
489                    dev->poll_time_limit) {
490                 /*
491                  * The CPU exited the "polling" state due to a time limit, so
492                  * the idle duration prediction leading to the selection of that
493                  * state was inaccurate.  If a better prediction had been made,
494                  * the CPU might have been woken up from idle by the next timer.
495                  * Assume that to be the case.
496                  */
497                 measured_ns = data->next_timer_ns;
498         } else {
499                 /* measured value */
500                 measured_ns = dev->last_residency_ns;
501
502                 /* Deduct exit latency */
503                 if (measured_ns > 2 * target->exit_latency_ns)
504                         measured_ns -= target->exit_latency_ns;
505                 else
506                         measured_ns /= 2;
507         }
508
509         /* Make sure our coefficients do not exceed unity */
510         if (measured_ns > data->next_timer_ns)
511                 measured_ns = data->next_timer_ns;
512
513         /* Update our correction ratio */
514         new_factor = data->correction_factor[data->bucket];
515         new_factor -= new_factor / DECAY;
516
517         if (data->next_timer_ns > 0 && measured_ns < MAX_INTERESTING)
518                 new_factor += div64_u64(RESOLUTION * measured_ns,
519                                         data->next_timer_ns);
520         else
521                 /*
522                  * we were idle so long that we count it as a perfect
523                  * prediction
524                  */
525                 new_factor += RESOLUTION;
526
527         /*
528          * We don't want 0 as factor; we always want at least
529          * a tiny bit of estimated time. Fortunately, due to rounding,
530          * new_factor will stay nonzero regardless of measured_us values
531          * and the compiler can eliminate this test as long as DECAY > 1.
532          */
533         if (DECAY == 1 && unlikely(new_factor == 0))
534                 new_factor = 1;
535
536         data->correction_factor[data->bucket] = new_factor;
537
538         /* update the repeating-pattern data */
539         data->intervals[data->interval_ptr++] = ktime_to_us(measured_ns);
540         if (data->interval_ptr >= INTERVALS)
541                 data->interval_ptr = 0;
542 }
543
544 /**
545  * menu_enable_device - scans a CPU's states and does setup
546  * @drv: cpuidle driver
547  * @dev: the CPU
548  */
549 static int menu_enable_device(struct cpuidle_driver *drv,
550                                 struct cpuidle_device *dev)
551 {
552         struct menu_device *data = &per_cpu(menu_devices, dev->cpu);
553         int i;
554
555         memset(data, 0, sizeof(struct menu_device));
556
557         /*
558          * if the correction factor is 0 (eg first time init or cpu hotplug
559          * etc), we actually want to start out with a unity factor.
560          */
561         for(i = 0; i < BUCKETS; i++)
562                 data->correction_factor[i] = RESOLUTION * DECAY;
563
564         return 0;
565 }
566
567 static struct cpuidle_governor menu_governor = {
568         .name =         "menu",
569         .rating =       20,
570         .enable =       menu_enable_device,
571         .select =       menu_select,
572         .reflect =      menu_reflect,
573 };
574
575 /**
576  * init_menu - initializes the governor
577  */
578 static int __init init_menu(void)
579 {
580         return cpuidle_register_governor(&menu_governor);
581 }
582
583 postcore_initcall(init_menu);