Oracle Linux 内核开发人员 Steve Sistare 参与了这场有关内核调度程序改进的讨论。

通过可扩展的任务窃取进行负载平衡

Linux 任务调度程序通过将唤醒的任务推送到空闲的 CPU，以及在 CPU 空闲时从繁忙的 CPU 中拉取任务来平衡整个系统的负载。在大型系统上的推送侧和拉取侧，有效的伸缩都是挑战。对于拉取，调度程序搜索连续的更大范围中的所有 CPU，直到找到过载的 CPU，然后从最繁忙的组中拉取任务。这代价非常昂贵，在大型系统上要花费 10 到 100 微秒，因此搜索时间受到平均空闲时间的限制，并且某些范围不会被搜索。并非总能达到平衡，而且闲置的 CPU 依旧闲置。

我实现了一种备用机制，该机制在 idle_balance() 中的现有搜索中自身受限并且没有找到之后被调用。我维护了一个过载的 CPU 的位图，当可运行的 CFS 任务计数超过 1 时，CPU 会设置该位。这个位图是稀疏的，每个高速缓存线的有效位数量有限。当许多线程同时设置、清除和访问元素时，这可以减少缓存争用。每个末级缓存都有一个位图。当 CPU 空闲时，它将搜索该位图以查找第一个具有可迁移任务的过载 CPU，然后将其窃取。这种简单的窃取会比单独的 idle_balance() 产生更高的 CPU 利用率，因为该搜索的成本很便宜，花费 1 到 2 微秒，因此每次 CPU 即将空闲时都可以调用它。窃取不会减轻全局最繁忙的队列的负担，但是它比根本不执行任何操作要好得多。

结果

偷窃仅在调度程序代码中占用少量 CPU 开销即可提高利用率。在以下实验中，以不同数量的组（每个组 40 个任务）运行 hackbench，并对每次运行结果显示 /proc/schedstat 中的增量（按 CPU 平均），并增加了这些非标准的统计信息：

• ％find：在旧函数和新函数中花费的时间百分比，这些函数用于搜索空闲的 CPU 和任务以窃取并设置过载的 CPU 位图。
• steal：任务从另一个 CPU 窃取的次数。经过的时间增加了 8％ 到 36％，最多增加了 0.4％ 的发现时间。

​​如下图的绿色曲线所示，新内核的 CPU 繁忙利用率接近 100％，作为比较的基线内核是橙色曲线： ​​

根据负载的不同，窃取可将 Oracle 数据库 OLTP 性能提高多达 9％，并且我们已经看到 MySQL、Pgsql、gcc、Java 和网络方面有了一些不错的改进。通常，窃取对上下文切换率高的工作负载最有帮助。

代码

截至撰写本文时，这项工作尚未完成，但最新的修补程序系列位于 https://lkml.org/lkml/2018/12/6/1253。如果你的内核是使用 CONFIG_SCHED_DEBUG=y 构建的，则可以使用以下命令验证其是否包含窃取优化：

# grep -q STEAL /sys/kernel/debug/sched_features && echo Yes
Yes

如果要尝试使用，请注意，对于具有 2 个以上 NUMA 节点的系统，禁用了窃取功能，因为 hackbench 在此类系统上发生了回归，正如我在 https://lkml.org/lkml/2018/12/6/1250 中解释的那样。但是，我怀疑这种影响是特定于 hackbench 的，并且窃取将有助于多节点系统上的其他工作负载。要尝试使用它，请用内核参数 sched_steal_node_limit=8（或更大）重新启动。

进一步工作

在将基本盗用算法推向上游之后，我正在考虑以下增强功能：

• 如果在末级缓存中进行窃取找不到候选者，在 LLC 和 NUMA 节点之间进行窃取。
• 维护稀疏位图以标识 RT 调度类中的偷窃候选者。当前 pull_rt_task() 搜索所有运行队列。
• 从 idle_balance() 中删除核心和套接字级别，因为窃取会处理这些级别。当支持跨 LLC 窃取时，完全删除 idle_balance()。
• 维护位图以标识空闲核心和空闲 CPU，以实现推平衡。

这篇文章最初发布于 Oracle Developers Blog。