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
  10 /*
  11  * Global load-average calculations
  12  *
  13  * We take a distributed and async approach to calculating the global load-avg
  14  * in order to minimize overhead.
  15  *
  16  * The global load average is an exponentially decaying average of nr_running +
  17  * nr_uninterruptible.
  18  *
  19  * Once every LOAD_FREQ:
  20  *
  21  *   nr_active = 0;
  22  *   for_each_possible_cpu(cpu)
  23  *      nr_active += cpu_of(cpu)->nr_running + cpu_of(cpu)->nr_uninterruptible;
  24  *
  25  *   avenrun[n] = avenrun[0] * exp_n + nr_active * (1 - exp_n)
  26  *
  27  * Due to a number of reasons the above turns in the mess below:
  28  *
  29  *  - for_each_possible_cpu() is prohibitively expensive on machines with
  30  *    serious number of CPUs, therefore we need to take a distributed approach
  31  *    to calculating nr_active.
  32  *
  33  *        \Sum_i x_i(t) = \Sum_i x_i(t) - x_i(t_0) | x_i(t_0) := 0
  34  *                      = \Sum_i { \Sum_j=1 x_i(t_j) - x_i(t_j-1) }
  35  *
  36  *    So assuming nr_active := 0 when we start out -- true per definition, we
  37  *    can simply take per-CPU deltas and fold those into a global accumulate
  38  *    to obtain the same result. See calc_load_fold_active().
  39  *
  40  *    Furthermore, in order to avoid synchronizing all per-CPU delta folding
  41  *    across the machine, we assume 10 ticks is sufficient time for every
  42  *    CPU to have completed this task.
  43  *
  44  *    This places an upper-bound on the IRQ-off latency of the machine. Then
  45  *    again, being late doesn't loose the delta, just wrecks the sample.
  46  *
  47  *  - cpu_rq()->nr_uninterruptible isn't accurately tracked per-CPU because
  48  *    this would add another cross-CPU cacheline miss and atomic operation
  49  *    to the wakeup path. Instead we increment on whatever CPU the task ran
  50  *    when it went into uninterruptible state and decrement on whatever CPU
  51  *    did the wakeup. This means that only the sum of nr_uninterruptible over
  52  *    all CPUs yields the correct result.
  53  *
  54  *  This covers the NO_HZ=n code, for extra head-aches, see the comment below.
  55  */
  56
  57 /* Variables and functions for calc_load */
  58 atomic_long_t calc_load_tasks;
  59 unsigned long calc_load_update;
  60 unsigned long avenrun[3];
  61 EXPORT_SYMBOL(avenrun); /* should be removed */
  62
  63 /**
  64  * get_avenrun - get the load average array
  65  * @loads:      pointer to dest load array
  66  * @offset:     offset to add
  67  * @shift:      shift count to shift the result left
  68  *
  69  * These values are estimates at best, so no need for locking.
  70  */
  71 void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift)
  72 {
  73         loads[0] = (avenrun[0] + offset) << shift;
  74         loads[1] = (avenrun[1] + offset) << shift;
  75         loads[2] = (avenrun[2] + offset) << shift;
  76 }
  77
  78 long calc_load_fold_active(struct rq *this_rq, long adjust)
  79 {
  80         long nr_active, delta = 0;
  81
  82         nr_active = this_rq->nr_running - adjust;
  83         nr_active += (int)this_rq->nr_uninterruptible;
  84
  85         if (nr_active != this_rq->calc_load_active) {
  86                 delta = nr_active - this_rq->calc_load_active;
  87                 this_rq->calc_load_active = nr_active;
  88         }
  89
  90         return delta;
  91 }
  92
  93 /**
  94  * fixed_power_int - compute: x^n, in O(log n) time
  95  *
  96  * @x:         base of the power
  97  * @frac_bits: fractional bits of @x
  98  * @n:         power to raise @x to.
  99  *
 100  * By exploiting the relation between the definition of the natural power
 101  * function: x^n := x*x*...*x (x multiplied by itself for n times), and
 102  * the binary encoding of numbers used by computers: n := \Sum n_i * 2^i,
 103  * (where: n_i \elem {0, 1}, the binary vector representing n),
 104  * we find: x^n := x^(\Sum n_i * 2^i) := \Prod x^(n_i * 2^i), which is
 105  * of course trivially computable in O(log_2 n), the length of our binary
 106  * vector.
 107  */
 108 static unsigned long
 109 fixed_power_int(unsigned long x, unsigned int frac_bits, unsigned int n)
 110 {
 111         unsigned long result = 1UL << frac_bits;
 112
 113         if (n) {
 114                 for (;;) {
 115                         if (n & 1) {
 116                                 result *= x;
 117                                 result += 1UL << (frac_bits - 1);
 118                                 result >>= frac_bits;
 119                         }
 120                         n >>= 1;
 121                         if (!n)
 122                                 break;
 123                         x *= x;
 124                         x += 1UL << (frac_bits - 1);
 125                         x >>= frac_bits;
 126                 }
 127         }
 128
 129         return result;
 130 }
 131
 132 /*
 133  * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
 134  *
 135  * a2 = a1 * e + a * (1 - e)
 136  *    = (a0 * e + a * (1 - e)) * e + a * (1 - e)
 137  *    = a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)
 138  *
 139  * a3 = a2 * e + a * (1 - e)
 140  *    = (a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)) * e + a * (1 - e)
 141  *    = a0 * e^3 + a * (1 - e) * (1 + e + e^2)
 142  *
 143  *  ...
 144  *
 145  * an = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 + e + ... + e^n-1) [1]
 146  *    = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 - e^n)/(1 - e)
 147  *    = a0 * e^n + a * (1 - e^n)
 148  *
 149  * [1] application of the geometric series:
 150  *
 151  *              n         1 - x^(n+1)
 152  *     S_n := \Sum x^i = -------------
 153  *             i=0          1 - x
 154  */
 155 unsigned long
 156 calc_load_n(unsigned long load, unsigned long exp,
 157             unsigned long active, unsigned int n)
 158 {
 159         return calc_load(load, fixed_power_int(exp, FSHIFT, n), active);
 160 }
 161
 162 #ifdef CONFIG_NO_HZ_COMMON
 163 /*
 164  * Handle NO_HZ for the global load-average.
 165  *
 166  * Since the above described distributed algorithm to compute the global
 167  * load-average relies on per-CPU sampling from the tick, it is affected by
 168  * NO_HZ.
 169  *
 170  * The basic idea is to fold the nr_active delta into a global NO_HZ-delta upon
 171  * entering NO_HZ state such that we can include this as an 'extra' CPU delta
 172  * when we read the global state.
 173  *
 174  * Obviously reality has to ruin such a delightfully simple scheme:
 175  *
 176  *  - When we go NO_HZ idle during the window, we can negate our sample
 177  *    contribution, causing under-accounting.
 178  *
 179  *    We avoid this by keeping two NO_HZ-delta counters and flipping them
 180  *    when the window starts, thus separating old and new NO_HZ load.
 181  *
 182  *    The only trick is the slight shift in index flip for read vs write.
 183  *
 184  *        0s            5s            10s           15s
 185  *          +10           +10           +10           +10
 186  *        |-|-----------|-|-----------|-|-----------|-|
 187  *    r:0 0 1           1 0           0 1           1 0
 188  *    w:0 1 1           0 0           1 1           0 0
 189  *
 190  *    This ensures we'll fold the old NO_HZ contribution in this window while
 191  *    accumulating the new one.
 192  *
 193  *  - When we wake up from NO_HZ during the window, we push up our
 194  *    contribution, since we effectively move our sample point to a known
 195  *    busy state.
 196  *
 197  *    This is solved by pushing the window forward, and thus skipping the
 198  *    sample, for this CPU (effectively using the NO_HZ-delta for this CPU which
 199  *    was in effect at the time the window opened). This also solves the issue
 200  *    of having to deal with a CPU having been in NO_HZ for multiple LOAD_FREQ
 201  *    intervals.
 202  *
 203  * When making the ILB scale, we should try to pull this in as well.
 204  */
 205 static atomic_long_t calc_load_nohz[2];
 206 static int calc_load_idx;
 207
 208 static inline int calc_load_write_idx(void)
 209 {
 210         int idx = calc_load_idx;
 211
 212         /*
 213          * See calc_global_nohz(), if we observe the new index, we also
 214          * need to observe the new update time.
 215          */
 216         smp_rmb();
 217
 218         /*
 219          * If the folding window started, make sure we start writing in the
 220          * next NO_HZ-delta.
 221          */
 222         if (!time_before(jiffies, READ_ONCE(calc_load_update)))
 223                 idx++;
 224
 225         return idx & 1;
 226 }
 227
 228 static inline int calc_load_read_idx(void)
 229 {
 230         return calc_load_idx & 1;
 231 }
 232
 233 static void calc_load_nohz_fold(struct rq *rq)
 234 {
 235         long delta;
 236
 237         delta = calc_load_fold_active(rq, 0);
 238         if (delta) {
 239                 int idx = calc_load_write_idx();
 240
 241                 atomic_long_add(delta, &calc_load_nohz[idx]);
 242         }
 243 }
 244
 245 void calc_load_nohz_start(void)
 246 {
 247         /*
 248          * We're going into NO_HZ mode, if there's any pending delta, fold it
 249          * into the pending NO_HZ delta.
 250          */
 251         calc_load_nohz_fold(this_rq());
 252 }
 253
 254 /*
 255  * Keep track of the load for NOHZ_FULL, must be called between
 256  * calc_load_nohz_{start,stop}().
 257  */
 258 void calc_load_nohz_remote(struct rq *rq)
 259 {
 260         calc_load_nohz_fold(rq);
 261 }
 262
 263 void calc_load_nohz_stop(void)
 264 {
 265         struct rq *this_rq = this_rq();
 266
 267         /*
 268          * If we're still before the pending sample window, we're done.
 269          */
 270         this_rq->calc_load_update = READ_ONCE(calc_load_update);
 271         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
 272                 return;
 273
 274         /*
 275          * We woke inside or after the sample window, this means we're already
 276          * accounted through the nohz accounting, so skip the entire deal and
 277          * sync up for the next window.
 278          */
 279         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update + 10))
 280                 this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
 281 }
 282
 283 static long calc_load_nohz_read(void)
 284 {
 285         int idx = calc_load_read_idx();
 286         long delta = 0;
 287
 288         if (atomic_long_read(&calc_load_nohz[idx]))
 289                 delta = atomic_long_xchg(&calc_load_nohz[idx], 0);
 290
 291         return delta;
 292 }
 293
 294 /*
 295  * NO_HZ can leave us missing all per-CPU ticks calling
 296  * calc_load_fold_active(), but since a NO_HZ CPU folds its delta into
 297  * calc_load_nohz per calc_load_nohz_start(), all we need to do is fold
 298  * in the pending NO_HZ delta if our NO_HZ period crossed a load cycle boundary.
 299  *
 300  * Once we've updated the global active value, we need to apply the exponential
 301  * weights adjusted to the number of cycles missed.
 302  */
 303 static void calc_global_nohz(void)
 304 {
 305         unsigned long sample_window;
 306         long delta, active, n;
 307
 308         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
 309         if (!time_before(jiffies, sample_window + 10)) {
 310                 /*
 311                  * Catch-up, fold however many we are behind still
 312                  */
 313                 delta = jiffies - sample_window - 10;
 314                 n = 1 + (delta / LOAD_FREQ);
 315
 316                 active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
 317                 active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
 318
 319                 avenrun[0] = calc_load_n(avenrun[0], EXP_1, active, n);
 320                 avenrun[1] = calc_load_n(avenrun[1], EXP_5, active, n);
 321                 avenrun[2] = calc_load_n(avenrun[2], EXP_15, active, n);
 322
 323                 WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + n * LOAD_FREQ);
 324         }
 325
 326         /*
 327          * Flip the NO_HZ index...
 328          *
 329          * Make sure we first write the new time then flip the index, so that
 330          * calc_load_write_idx() will see the new time when it reads the new
 331          * index, this avoids a double flip messing things up.
 332          */
 333         smp_wmb();
 334         calc_load_idx++;
 335 }
 336 #else /* !CONFIG_NO_HZ_COMMON */
 337
 338 static inline long calc_load_nohz_read(void) { return 0; }
 339 static inline void calc_global_nohz(void) { }
 340
 341 #endif /* CONFIG_NO_HZ_COMMON */
 342
 343 /*
 344  * calc_load - update the avenrun load estimates 10 ticks after the
 345  * CPUs have updated calc_load_tasks.
 346  *
 347  * Called from the global timer code.
 348  */
 349 void calc_global_load(void)
 350 {
 351         unsigned long sample_window;
 352         long active, delta;
 353
 354         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
 355         if (time_before(jiffies, sample_window + 10))
 356                 return;
 357
 358         /*
 359          * Fold the 'old' NO_HZ-delta to include all NO_HZ CPUs.
 360          */
 361         delta = calc_load_nohz_read();
 362         if (delta)
 363                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
 364
 365         active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
 366         active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
 367
 368         avenrun[0] = calc_load(avenrun[0], EXP_1, active);
 369         avenrun[1] = calc_load(avenrun[1], EXP_5, active);
 370         avenrun[2] = calc_load(avenrun[2], EXP_15, active);
 371
 372         WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + LOAD_FREQ);
 373
 374         /*
 375          * In case we went to NO_HZ for multiple LOAD_FREQ intervals
 376          * catch up in bulk.
 377          */
 378         calc_global_nohz();
 379 }
 380
 381 /*
 382  * Called from scheduler_tick() to periodically update this CPU's
 383  * active count.
 384  */
 385 void calc_global_load_tick(struct rq *this_rq)
 386 {
 387         long delta;
 388
 389         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
 390                 return;
 391
 392         delta  = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
 393         if (delta)
 394                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
 395
 396         this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
 397 }