Merge branch 'turbostat' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/lenb/linux
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / scheduler / sched-deadline.txt
1                           Deadline Task Scheduling
2                           ------------------------
3
4 CONTENTS
5 ========
6
7  0. WARNING
8  1. Overview
9  2. Scheduling algorithm
10    2.1 Main algorithm
11    2.2 Bandwidth reclaiming
12  3. Scheduling Real-Time Tasks
13    3.1 Definitions
14    3.2 Schedulability Analysis for Uniprocessor Systems
15    3.3 Schedulability Analysis for Multiprocessor Systems
16    3.4 Relationship with SCHED_DEADLINE Parameters
17  4. Bandwidth management
18    4.1 System-wide settings
19    4.2 Task interface
20    4.3 Default behavior
21    4.4 Behavior of sched_yield()
22  5. Tasks CPU affinity
23    5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
24  6. Future plans
25  A. Test suite
26  B. Minimal main()
27
28
29 0. WARNING
30 ==========
31
32  Fiddling with these settings can result in an unpredictable or even unstable
33  system behavior. As for -rt (group) scheduling, it is assumed that root users
34  know what they're doing.
35
36
37 1. Overview
38 ===========
39
40  The SCHED_DEADLINE policy contained inside the sched_dl scheduling class is
41  basically an implementation of the Earliest Deadline First (EDF) scheduling
42  algorithm, augmented with a mechanism (called Constant Bandwidth Server, CBS)
43  that makes it possible to isolate the behavior of tasks between each other.
44
45
46 2. Scheduling algorithm
47 ==================
48
49 2.1 Main algorithm
50 ------------------
51
52  SCHED_DEADLINE [18] uses three parameters, named "runtime", "period", and
53  "deadline", to schedule tasks. A SCHED_DEADLINE task should receive
54  "runtime" microseconds of execution time every "period" microseconds, and
55  these "runtime" microseconds are available within "deadline" microseconds
56  from the beginning of the period.  In order to implement this behavior,
57  every time the task wakes up, the scheduler computes a "scheduling deadline"
58  consistent with the guarantee (using the CBS[2,3] algorithm). Tasks are then
59  scheduled using EDF[1] on these scheduling deadlines (the task with the
60  earliest scheduling deadline is selected for execution). Notice that the
61  task actually receives "runtime" time units within "deadline" if a proper
62  "admission control" strategy (see Section "4. Bandwidth management") is used
63  (clearly, if the system is overloaded this guarantee cannot be respected).
64
65  Summing up, the CBS[2,3] algorithm assigns scheduling deadlines to tasks so
66  that each task runs for at most its runtime every period, avoiding any
67  interference between different tasks (bandwidth isolation), while the EDF[1]
68  algorithm selects the task with the earliest scheduling deadline as the one
69  to be executed next. Thanks to this feature, tasks that do not strictly comply
70  with the "traditional" real-time task model (see Section 3) can effectively
71  use the new policy.
72
73  In more details, the CBS algorithm assigns scheduling deadlines to
74  tasks in the following way:
75
76   - Each SCHED_DEADLINE task is characterized by the "runtime",
77     "deadline", and "period" parameters;
78
79   - The state of the task is described by a "scheduling deadline", and
80     a "remaining runtime". These two parameters are initially set to 0;
81
82   - When a SCHED_DEADLINE task wakes up (becomes ready for execution),
83     the scheduler checks if
84
85                  remaining runtime                  runtime
86         ----------------------------------    >    ---------
87         scheduling deadline - current time           period
88
89     then, if the scheduling deadline is smaller than the current time, or
90     this condition is verified, the scheduling deadline and the
91     remaining runtime are re-initialized as
92
93          scheduling deadline = current time + deadline
94          remaining runtime = runtime
95
96     otherwise, the scheduling deadline and the remaining runtime are
97     left unchanged;
98
99   - When a SCHED_DEADLINE task executes for an amount of time t, its
100     remaining runtime is decreased as
101
102          remaining runtime = remaining runtime - t
103
104     (technically, the runtime is decreased at every tick, or when the
105     task is descheduled / preempted);
106
107   - When the remaining runtime becomes less or equal than 0, the task is
108     said to be "throttled" (also known as "depleted" in real-time literature)
109     and cannot be scheduled until its scheduling deadline. The "replenishment
110     time" for this task (see next item) is set to be equal to the current
111     value of the scheduling deadline;
112
113   - When the current time is equal to the replenishment time of a
114     throttled task, the scheduling deadline and the remaining runtime are
115     updated as
116
117          scheduling deadline = scheduling deadline + period
118          remaining runtime = remaining runtime + runtime
119
120  The SCHED_FLAG_DL_OVERRUN flag in sched_attr's sched_flags field allows a task
121  to get informed about runtime overruns through the delivery of SIGXCPU
122  signals.
123
124
125 2.2 Bandwidth reclaiming
126 ------------------------
127
128  Bandwidth reclaiming for deadline tasks is based on the GRUB (Greedy
129  Reclamation of Unused Bandwidth) algorithm [15, 16, 17] and it is enabled
130  when flag SCHED_FLAG_RECLAIM is set.
131
132  The following diagram illustrates the state names for tasks handled by GRUB:
133
134                              ------------
135                  (d)        |   Active   |
136               ------------->|            |
137               |             | Contending |
138               |              ------------
139               |                A      |
140           ----------           |      |
141          |          |          |      |
142          | Inactive |          |(b)   | (a)
143          |          |          |      |
144           ----------           |      |
145               A                |      V
146               |              ------------
147               |             |   Active   |
148               --------------|     Non    |
149                  (c)        | Contending |
150                              ------------
151
152  A task can be in one of the following states:
153
154   - ActiveContending: if it is ready for execution (or executing);
155
156   - ActiveNonContending: if it just blocked and has not yet surpassed the 0-lag
157     time;
158
159   - Inactive: if it is blocked and has surpassed the 0-lag time.
160
161  State transitions:
162
163   (a) When a task blocks, it does not become immediately inactive since its
164       bandwidth cannot be immediately reclaimed without breaking the
165       real-time guarantees. It therefore enters a transitional state called
166       ActiveNonContending. The scheduler arms the "inactive timer" to fire at
167       the 0-lag time, when the task's bandwidth can be reclaimed without
168       breaking the real-time guarantees.
169
170       The 0-lag time for a task entering the ActiveNonContending state is
171       computed as
172
173                         (runtime * dl_period)
174              deadline - ---------------------
175                              dl_runtime
176
177       where runtime is the remaining runtime, while dl_runtime and dl_period
178       are the reservation parameters.
179
180   (b) If the task wakes up before the inactive timer fires, the task re-enters
181       the ActiveContending state and the "inactive timer" is canceled.
182       In addition, if the task wakes up on a different runqueue, then
183       the task's utilization must be removed from the previous runqueue's active
184       utilization and must be added to the new runqueue's active utilization.
185       In order to avoid races between a task waking up on a runqueue while the
186        "inactive timer" is running on a different CPU, the "dl_non_contending"
187       flag is used to indicate that a task is not on a runqueue but is active
188       (so, the flag is set when the task blocks and is cleared when the
189       "inactive timer" fires or when the task  wakes up).
190
191   (c) When the "inactive timer" fires, the task enters the Inactive state and
192       its utilization is removed from the runqueue's active utilization.
193
194   (d) When an inactive task wakes up, it enters the ActiveContending state and
195       its utilization is added to the active utilization of the runqueue where
196       it has been enqueued.
197
198  For each runqueue, the algorithm GRUB keeps track of two different bandwidths:
199
200   - Active bandwidth (running_bw): this is the sum of the bandwidths of all
201     tasks in active state (i.e., ActiveContending or ActiveNonContending);
202
203   - Total bandwidth (this_bw): this is the sum of all tasks "belonging" to the
204     runqueue, including the tasks in Inactive state.
205
206
207  The algorithm reclaims the bandwidth of the tasks in Inactive state.
208  It does so by decrementing the runtime of the executing task Ti at a pace equal
209  to
210
211            dq = -max{ Ui / Umax, (1 - Uinact - Uextra) } dt
212
213  where:
214
215   - Ui is the bandwidth of task Ti;
216   - Umax is the maximum reclaimable utilization (subjected to RT throttling
217     limits);
218   - Uinact is the (per runqueue) inactive utilization, computed as
219     (this_bq - running_bw);
220   - Uextra is the (per runqueue) extra reclaimable utilization
221     (subjected to RT throttling limits).
222
223
224  Let's now see a trivial example of two deadline tasks with runtime equal
225  to 4 and period equal to 8 (i.e., bandwidth equal to 0.5):
226
227      A            Task T1
228      |
229      |                               |
230      |                               |
231      |--------                       |----
232      |       |                       V
233      |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
234      0   1   2   3   4   5   6   7   8
235
236
237      A            Task T2
238      |
239      |                               |
240      |                               |
241      |       ------------------------|
242      |       |                       V
243      |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
244      0   1   2   3   4   5   6   7   8
245
246
247      A            running_bw
248      |
249    1 -----------------               ------
250      |               |               |
251   0.5-               -----------------
252      |                               |
253      |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
254      0   1   2   3   4   5   6   7   8
255
256
257   - Time t = 0:
258
259     Both tasks are ready for execution and therefore in ActiveContending state.
260     Suppose Task T1 is the first task to start execution.
261     Since there are no inactive tasks, its runtime is decreased as dq = -1 dt.
262
263   - Time t = 2:
264
265     Suppose that task T1 blocks
266     Task T1 therefore enters the ActiveNonContending state. Since its remaining
267     runtime is equal to 2, its 0-lag time is equal to t = 4.
268     Task T2 start execution, with runtime still decreased as dq = -1 dt since
269     there are no inactive tasks.
270
271   - Time t = 4:
272
273     This is the 0-lag time for Task T1. Since it didn't woken up in the
274     meantime, it enters the Inactive state. Its bandwidth is removed from
275     running_bw.
276     Task T2 continues its execution. However, its runtime is now decreased as
277     dq = - 0.5 dt because Uinact = 0.5.
278     Task T2 therefore reclaims the bandwidth unused by Task T1.
279
280   - Time t = 8:
281
282     Task T1 wakes up. It enters the ActiveContending state again, and the
283     running_bw is incremented.
284
285
286 2.3 Energy-aware scheduling
287 ------------------------
288
289  When cpufreq's schedutil governor is selected, SCHED_DEADLINE implements the
290  GRUB-PA [19] algorithm, reducing the CPU operating frequency to the minimum
291  value that still allows to meet the deadlines. This behavior is currently
292  implemented only for ARM architectures.
293
294  A particular care must be taken in case the time needed for changing frequency
295  is of the same order of magnitude of the reservation period. In such cases,
296  setting a fixed CPU frequency results in a lower amount of deadline misses.
297
298
299 3. Scheduling Real-Time Tasks
300 =============================
301
302  * BIG FAT WARNING ******************************************************
303  *
304  * This section contains a (not-thorough) summary on classical deadline
305  * scheduling theory, and how it applies to SCHED_DEADLINE.
306  * The reader can "safely" skip to Section 4 if only interested in seeing
307  * how the scheduling policy can be used. Anyway, we strongly recommend
308  * to come back here and continue reading (once the urge for testing is
309  * satisfied :P) to be sure of fully understanding all technical details.
310  ************************************************************************
311
312  There are no limitations on what kind of task can exploit this new
313  scheduling discipline, even if it must be said that it is particularly
314  suited for periodic or sporadic real-time tasks that need guarantees on their
315  timing behavior, e.g., multimedia, streaming, control applications, etc.
316
317 3.1 Definitions
318 ------------------------
319
320  A typical real-time task is composed of a repetition of computation phases
321  (task instances, or jobs) which are activated on a periodic or sporadic
322  fashion.
323  Each job J_j (where J_j is the j^th job of the task) is characterized by an
324  arrival time r_j (the time when the job starts), an amount of computation
325  time c_j needed to finish the job, and a job absolute deadline d_j, which
326  is the time within which the job should be finished. The maximum execution
327  time max{c_j} is called "Worst Case Execution Time" (WCET) for the task.
328  A real-time task can be periodic with period P if r_{j+1} = r_j + P, or
329  sporadic with minimum inter-arrival time P is r_{j+1} >= r_j + P. Finally,
330  d_j = r_j + D, where D is the task's relative deadline.
331  Summing up, a real-time task can be described as
332         Task = (WCET, D, P)
333
334  The utilization of a real-time task is defined as the ratio between its
335  WCET and its period (or minimum inter-arrival time), and represents
336  the fraction of CPU time needed to execute the task.
337
338  If the total utilization U=sum(WCET_i/P_i) is larger than M (with M equal
339  to the number of CPUs), then the scheduler is unable to respect all the
340  deadlines.
341  Note that total utilization is defined as the sum of the utilizations
342  WCET_i/P_i over all the real-time tasks in the system. When considering
343  multiple real-time tasks, the parameters of the i-th task are indicated
344  with the "_i" suffix.
345  Moreover, if the total utilization is larger than M, then we risk starving
346  non- real-time tasks by real-time tasks.
347  If, instead, the total utilization is smaller than M, then non real-time
348  tasks will not be starved and the system might be able to respect all the
349  deadlines.
350  As a matter of fact, in this case it is possible to provide an upper bound
351  for tardiness (defined as the maximum between 0 and the difference
352  between the finishing time of a job and its absolute deadline).
353  More precisely, it can be proven that using a global EDF scheduler the
354  maximum tardiness of each task is smaller or equal than
355         ((M âˆ’ 1) Â· WCET_max âˆ’ WCET_min)/(M âˆ’ (M âˆ’ 2) Â· U_max) + WCET_max
356  where WCET_max = max{WCET_i} is the maximum WCET, WCET_min=min{WCET_i}
357  is the minimum WCET, and U_max = max{WCET_i/P_i} is the maximum
358  utilization[12].
359
360 3.2 Schedulability Analysis for Uniprocessor Systems
361 ------------------------
362
363  If M=1 (uniprocessor system), or in case of partitioned scheduling (each
364  real-time task is statically assigned to one and only one CPU), it is
365  possible to formally check if all the deadlines are respected.
366  If D_i = P_i for all tasks, then EDF is able to respect all the deadlines
367  of all the tasks executing on a CPU if and only if the total utilization
368  of the tasks running on such a CPU is smaller or equal than 1.
369  If D_i != P_i for some task, then it is possible to define the density of
370  a task as WCET_i/min{D_i,P_i}, and EDF is able to respect all the deadlines
371  of all the tasks running on a CPU if the sum of the densities of the tasks
372  running on such a CPU is smaller or equal than 1:
373         sum(WCET_i / min{D_i, P_i}) <= 1
374  It is important to notice that this condition is only sufficient, and not
375  necessary: there are task sets that are schedulable, but do not respect the
376  condition. For example, consider the task set {Task_1,Task_2} composed by
377  Task_1=(50ms,50ms,100ms) and Task_2=(10ms,100ms,100ms).
378  EDF is clearly able to schedule the two tasks without missing any deadline
379  (Task_1 is scheduled as soon as it is released, and finishes just in time
380  to respect its deadline; Task_2 is scheduled immediately after Task_1, hence
381  its response time cannot be larger than 50ms + 10ms = 60ms) even if
382         50 / min{50,100} + 10 / min{100, 100} = 50 / 50 + 10 / 100 = 1.1
383  Of course it is possible to test the exact schedulability of tasks with
384  D_i != P_i (checking a condition that is both sufficient and necessary),
385  but this cannot be done by comparing the total utilization or density with
386  a constant. Instead, the so called "processor demand" approach can be used,
387  computing the total amount of CPU time h(t) needed by all the tasks to
388  respect all of their deadlines in a time interval of size t, and comparing
389  such a time with the interval size t. If h(t) is smaller than t (that is,
390  the amount of time needed by the tasks in a time interval of size t is
391  smaller than the size of the interval) for all the possible values of t, then
392  EDF is able to schedule the tasks respecting all of their deadlines. Since
393  performing this check for all possible values of t is impossible, it has been
394  proven[4,5,6] that it is sufficient to perform the test for values of t
395  between 0 and a maximum value L. The cited papers contain all of the
396  mathematical details and explain how to compute h(t) and L.
397  In any case, this kind of analysis is too complex as well as too
398  time-consuming to be performed on-line. Hence, as explained in Section
399  4 Linux uses an admission test based on the tasks' utilizations.
400
401 3.3 Schedulability Analysis for Multiprocessor Systems
402 ------------------------
403
404  On multiprocessor systems with global EDF scheduling (non partitioned
405  systems), a sufficient test for schedulability can not be based on the
406  utilizations or densities: it can be shown that even if D_i = P_i task
407  sets with utilizations slightly larger than 1 can miss deadlines regardless
408  of the number of CPUs.
409
410  Consider a set {Task_1,...Task_{M+1}} of M+1 tasks on a system with M
411  CPUs, with the first task Task_1=(P,P,P) having period, relative deadline
412  and WCET equal to P. The remaining M tasks Task_i=(e,P-1,P-1) have an
413  arbitrarily small worst case execution time (indicated as "e" here) and a
414  period smaller than the one of the first task. Hence, if all the tasks
415  activate at the same time t, global EDF schedules these M tasks first
416  (because their absolute deadlines are equal to t + P - 1, hence they are
417  smaller than the absolute deadline of Task_1, which is t + P). As a
418  result, Task_1 can be scheduled only at time t + e, and will finish at
419  time t + e + P, after its absolute deadline. The total utilization of the
420  task set is U = M Â· e / (P - 1) + P / P = M Â· e / (P - 1) + 1, and for small
421  values of e this can become very close to 1. This is known as "Dhall's
422  effect"[7]. Note: the example in the original paper by Dhall has been
423  slightly simplified here (for example, Dhall more correctly computed
424  lim_{e->0}U).
425
426  More complex schedulability tests for global EDF have been developed in
427  real-time literature[8,9], but they are not based on a simple comparison
428  between total utilization (or density) and a fixed constant. If all tasks
429  have D_i = P_i, a sufficient schedulability condition can be expressed in
430  a simple way:
431         sum(WCET_i / P_i) <= M - (M - 1) Â· U_max
432  where U_max = max{WCET_i / P_i}[10]. Notice that for U_max = 1,
433  M - (M - 1) Â· U_max becomes M - M + 1 = 1 and this schedulability condition
434  just confirms the Dhall's effect. A more complete survey of the literature
435  about schedulability tests for multi-processor real-time scheduling can be
436  found in [11].
437
438  As seen, enforcing that the total utilization is smaller than M does not
439  guarantee that global EDF schedules the tasks without missing any deadline
440  (in other words, global EDF is not an optimal scheduling algorithm). However,
441  a total utilization smaller than M is enough to guarantee that non real-time
442  tasks are not starved and that the tardiness of real-time tasks has an upper
443  bound[12] (as previously noted). Different bounds on the maximum tardiness
444  experienced by real-time tasks have been developed in various papers[13,14],
445  but the theoretical result that is important for SCHED_DEADLINE is that if
446  the total utilization is smaller or equal than M then the response times of
447  the tasks are limited.
448
449 3.4 Relationship with SCHED_DEADLINE Parameters
450 ------------------------
451
452  Finally, it is important to understand the relationship between the
453  SCHED_DEADLINE scheduling parameters described in Section 2 (runtime,
454  deadline and period) and the real-time task parameters (WCET, D, P)
455  described in this section. Note that the tasks' temporal constraints are
456  represented by its absolute deadlines d_j = r_j + D described above, while
457  SCHED_DEADLINE schedules the tasks according to scheduling deadlines (see
458  Section 2).
459  If an admission test is used to guarantee that the scheduling deadlines
460  are respected, then SCHED_DEADLINE can be used to schedule real-time tasks
461  guaranteeing that all the jobs' deadlines of a task are respected.
462  In order to do this, a task must be scheduled by setting:
463
464   - runtime >= WCET
465   - deadline = D
466   - period <= P
467
468  IOW, if runtime >= WCET and if period is <= P, then the scheduling deadlines
469  and the absolute deadlines (d_j) coincide, so a proper admission control
470  allows to respect the jobs' absolute deadlines for this task (this is what is
471  called "hard schedulability property" and is an extension of Lemma 1 of [2]).
472  Notice that if runtime > deadline the admission control will surely reject
473  this task, as it is not possible to respect its temporal constraints.
474
475  References:
476   1 - C. L. Liu and J. W. Layland. Scheduling algorithms for multiprogram-
477       ming in a hard-real-time environment. Journal of the Association for
478       Computing Machinery, 20(1), 1973.
479   2 - L. Abeni , G. Buttazzo. Integrating Multimedia Applications in Hard
480       Real-Time Systems. Proceedings of the 19th IEEE Real-time Systems
481       Symposium, 1998. http://retis.sssup.it/~giorgio/paps/1998/rtss98-cbs.pdf
482   3 - L. Abeni. Server Mechanisms for Multimedia Applications. ReTiS Lab
483       Technical Report. http://disi.unitn.it/~abeni/tr-98-01.pdf
484   4 - J. Y. Leung and M.L. Merril. A Note on Preemptive Scheduling of
485       Periodic, Real-Time Tasks. Information Processing Letters, vol. 11,
486       no. 3, pp. 115-118, 1980.
487   5 - S. K. Baruah, A. K. Mok and L. E. Rosier. Preemptively Scheduling
488       Hard-Real-Time Sporadic Tasks on One Processor. Proceedings of the
489       11th IEEE Real-time Systems Symposium, 1990.
490   6 - S. K. Baruah, L. E. Rosier and R. R. Howell. Algorithms and Complexity
491       Concerning the Preemptive Scheduling of Periodic Real-Time tasks on
492       One Processor. Real-Time Systems Journal, vol. 4, no. 2, pp 301-324,
493       1990.
494   7 - S. J. Dhall and C. L. Liu. On a real-time scheduling problem. Operations
495       research, vol. 26, no. 1, pp 127-140, 1978.
496   8 - T. Baker. Multiprocessor EDF and Deadline Monotonic Schedulability
497       Analysis. Proceedings of the 24th IEEE Real-Time Systems Symposium, 2003.
498   9 - T. Baker. An Analysis of EDF Schedulability on a Multiprocessor.
499       IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 16, no. 8,
500       pp 760-768, 2005.
501   10 - J. Goossens, S. Funk and S. Baruah, Priority-Driven Scheduling of
502        Periodic Task Systems on Multiprocessors. Real-Time Systems Journal,
503        vol. 25, no. 2–3, pp. 187–205, 2003.
504   11 - R. Davis and A. Burns. A Survey of Hard Real-Time Scheduling for
505        Multiprocessor Systems. ACM Computing Surveys, vol. 43, no. 4, 2011.
506        http://www-users.cs.york.ac.uk/~robdavis/papers/MPSurveyv5.0.pdf
507   12 - U. C. Devi and J. H. Anderson. Tardiness Bounds under Global EDF
508        Scheduling on a Multiprocessor. Real-Time Systems Journal, vol. 32,
509        no. 2, pp 133-189, 2008.
510   13 - P. Valente and G. Lipari. An Upper Bound to the Lateness of Soft
511        Real-Time Tasks Scheduled by EDF on Multiprocessors. Proceedings of
512        the 26th IEEE Real-Time Systems Symposium, 2005.
513   14 - J. Erickson, U. Devi and S. Baruah. Improved tardiness bounds for
514        Global EDF. Proceedings of the 22nd Euromicro Conference on
515        Real-Time Systems, 2010.
516   15 - G. Lipari, S. Baruah, Greedy reclamation of unused bandwidth in
517        constant-bandwidth servers, 12th IEEE Euromicro Conference on Real-Time
518        Systems, 2000.
519   16 - L. Abeni, J. Lelli, C. Scordino, L. Palopoli, Greedy CPU reclaiming for
520        SCHED DEADLINE. In Proceedings of the Real-Time Linux Workshop (RTLWS),
521        Dusseldorf, Germany, 2014.
522   17 - L. Abeni, G. Lipari, A. Parri, Y. Sun, Multicore CPU reclaiming: parallel
523        or sequential?. In Proceedings of the 31st Annual ACM Symposium on Applied
524        Computing, 2016.
525   18 - J. Lelli, C. Scordino, L. Abeni, D. Faggioli, Deadline scheduling in the
526        Linux kernel, Software: Practice and Experience, 46(6): 821-839, June
527        2016.
528   19 - C. Scordino, L. Abeni, J. Lelli, Energy-Aware Real-Time Scheduling in
529        the Linux Kernel, 33rd ACM/SIGAPP Symposium On Applied Computing (SAC
530        2018), Pau, France, April 2018.
531
532
533 4. Bandwidth management
534 =======================
535
536  As previously mentioned, in order for -deadline scheduling to be
537  effective and useful (that is, to be able to provide "runtime" time units
538  within "deadline"), it is important to have some method to keep the allocation
539  of the available fractions of CPU time to the various tasks under control.
540  This is usually called "admission control" and if it is not performed, then
541  no guarantee can be given on the actual scheduling of the -deadline tasks.
542
543  As already stated in Section 3, a necessary condition to be respected to
544  correctly schedule a set of real-time tasks is that the total utilization
545  is smaller than M. When talking about -deadline tasks, this requires that
546  the sum of the ratio between runtime and period for all tasks is smaller
547  than M. Notice that the ratio runtime/period is equivalent to the utilization
548  of a "traditional" real-time task, and is also often referred to as
549  "bandwidth".
550  The interface used to control the CPU bandwidth that can be allocated
551  to -deadline tasks is similar to the one already used for -rt
552  tasks with real-time group scheduling (a.k.a. RT-throttling - see
553  Documentation/scheduler/sched-rt-group.txt), and is based on readable/
554  writable control files located in procfs (for system wide settings).
555  Notice that per-group settings (controlled through cgroupfs) are still not
556  defined for -deadline tasks, because more discussion is needed in order to
557  figure out how we want to manage SCHED_DEADLINE bandwidth at the task group
558  level.
559
560  A main difference between deadline bandwidth management and RT-throttling
561  is that -deadline tasks have bandwidth on their own (while -rt ones don't!),
562  and thus we don't need a higher level throttling mechanism to enforce the
563  desired bandwidth. In other words, this means that interface parameters are
564  only used at admission control time (i.e., when the user calls
565  sched_setattr()). Scheduling is then performed considering actual tasks'
566  parameters, so that CPU bandwidth is allocated to SCHED_DEADLINE tasks
567  respecting their needs in terms of granularity. Therefore, using this simple
568  interface we can put a cap on total utilization of -deadline tasks (i.e.,
569  \Sum (runtime_i / period_i) < global_dl_utilization_cap).
570
571 4.1 System wide settings
572 ------------------------
573
574  The system wide settings are configured under the /proc virtual file system.
575
576  For now the -rt knobs are used for -deadline admission control and the
577  -deadline runtime is accounted against the -rt runtime. We realize that this
578  isn't entirely desirable; however, it is better to have a small interface for
579  now, and be able to change it easily later. The ideal situation (see 5.) is to
580  run -rt tasks from a -deadline server; in which case the -rt bandwidth is a
581  direct subset of dl_bw.
582
583  This means that, for a root_domain comprising M CPUs, -deadline tasks
584  can be created while the sum of their bandwidths stays below:
585
586    M * (sched_rt_runtime_us / sched_rt_period_us)
587
588  It is also possible to disable this bandwidth management logic, and
589  be thus free of oversubscribing the system up to any arbitrary level.
590  This is done by writing -1 in /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us.
591
592
593 4.2 Task interface
594 ------------------
595
596  Specifying a periodic/sporadic task that executes for a given amount of
597  runtime at each instance, and that is scheduled according to the urgency of
598  its own timing constraints needs, in general, a way of declaring:
599   - a (maximum/typical) instance execution time,
600   - a minimum interval between consecutive instances,
601   - a time constraint by which each instance must be completed.
602
603  Therefore:
604   * a new struct sched_attr, containing all the necessary fields is
605     provided;
606   * the new scheduling related syscalls that manipulate it, i.e.,
607     sched_setattr() and sched_getattr() are implemented.
608
609  For debugging purposes, the leftover runtime and absolute deadline of a
610  SCHED_DEADLINE task can be retrieved through /proc/<pid>/sched (entries
611  dl.runtime and dl.deadline, both values in ns). A programmatic way to
612  retrieve these values from production code is under discussion.
613
614
615 4.3 Default behavior
616 ---------------------
617
618  The default value for SCHED_DEADLINE bandwidth is to have rt_runtime equal to
619  950000. With rt_period equal to 1000000, by default, it means that -deadline
620  tasks can use at most 95%, multiplied by the number of CPUs that compose the
621  root_domain, for each root_domain.
622  This means that non -deadline tasks will receive at least 5% of the CPU time,
623  and that -deadline tasks will receive their runtime with a guaranteed
624  worst-case delay respect to the "deadline" parameter. If "deadline" = "period"
625  and the cpuset mechanism is used to implement partitioned scheduling (see
626  Section 5), then this simple setting of the bandwidth management is able to
627  deterministically guarantee that -deadline tasks will receive their runtime
628  in a period.
629
630  Finally, notice that in order not to jeopardize the admission control a
631  -deadline task cannot fork.
632
633
634 4.4 Behavior of sched_yield()
635 -----------------------------
636
637  When a SCHED_DEADLINE task calls sched_yield(), it gives up its
638  remaining runtime and is immediately throttled, until the next
639  period, when its runtime will be replenished (a special flag
640  dl_yielded is set and used to handle correctly throttling and runtime
641  replenishment after a call to sched_yield()).
642
643  This behavior of sched_yield() allows the task to wake-up exactly at
644  the beginning of the next period. Also, this may be useful in the
645  future with bandwidth reclaiming mechanisms, where sched_yield() will
646  make the leftoever runtime available for reclamation by other
647  SCHED_DEADLINE tasks.
648
649
650 5. Tasks CPU affinity
651 =====================
652
653  -deadline tasks cannot have an affinity mask smaller that the entire
654  root_domain they are created on. However, affinities can be specified
655  through the cpuset facility (Documentation/cgroup-v1/cpusets.txt).
656
657 5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
658 ------------------------------------
659
660  An example of a simple configuration (pin a -deadline task to CPU0)
661  follows (rt-app is used to create a -deadline task).
662
663  mkdir /dev/cpuset
664  mount -t cgroup -o cpuset cpuset /dev/cpuset
665  cd /dev/cpuset
666  mkdir cpu0
667  echo 0 > cpu0/cpuset.cpus
668  echo 0 > cpu0/cpuset.mems
669  echo 1 > cpuset.cpu_exclusive
670  echo 0 > cpuset.sched_load_balance
671  echo 1 > cpu0/cpuset.cpu_exclusive
672  echo 1 > cpu0/cpuset.mem_exclusive
673  echo $$ > cpu0/tasks
674  rt-app -t 100000:10000:d:0 -D5 (it is now actually superfluous to specify
675  task affinity)
676
677 6. Future plans
678 ===============
679
680  Still missing:
681
682   - programmatic way to retrieve current runtime and absolute deadline
683   - refinements to deadline inheritance, especially regarding the possibility
684     of retaining bandwidth isolation among non-interacting tasks. This is
685     being studied from both theoretical and practical points of view, and
686     hopefully we should be able to produce some demonstrative code soon;
687   - (c)group based bandwidth management, and maybe scheduling;
688   - access control for non-root users (and related security concerns to
689     address), which is the best way to allow unprivileged use of the mechanisms
690     and how to prevent non-root users "cheat" the system?
691
692  As already discussed, we are planning also to merge this work with the EDF
693  throttling patches [https://lkml.org/lkml/2010/2/23/239] but we still are in
694  the preliminary phases of the merge and we really seek feedback that would
695  help us decide on the direction it should take.
696
697 Appendix A. Test suite
698 ======================
699
700  The SCHED_DEADLINE policy can be easily tested using two applications that
701  are part of a wider Linux Scheduler validation suite. The suite is
702  available as a GitHub repository: https://github.com/scheduler-tools.
703
704  The first testing application is called rt-app and can be used to
705  start multiple threads with specific parameters. rt-app supports
706  SCHED_{OTHER,FIFO,RR,DEADLINE} scheduling policies and their related
707  parameters (e.g., niceness, priority, runtime/deadline/period). rt-app
708  is a valuable tool, as it can be used to synthetically recreate certain
709  workloads (maybe mimicking real use-cases) and evaluate how the scheduler
710  behaves under such workloads. In this way, results are easily reproducible.
711  rt-app is available at: https://github.com/scheduler-tools/rt-app.
712
713  Thread parameters can be specified from the command line, with something like
714  this:
715
716   # rt-app -t 100000:10000:d -t 150000:20000:f:10 -D5
717
718  The above creates 2 threads. The first one, scheduled by SCHED_DEADLINE,
719  executes for 10ms every 100ms. The second one, scheduled at SCHED_FIFO
720  priority 10, executes for 20ms every 150ms. The test will run for a total
721  of 5 seconds.
722
723  More interestingly, configurations can be described with a json file that
724  can be passed as input to rt-app with something like this:
725
726   # rt-app my_config.json
727
728  The parameters that can be specified with the second method are a superset
729  of the command line options. Please refer to rt-app documentation for more
730  details (<rt-app-sources>/doc/*.json).
731
732  The second testing application is a modification of schedtool, called
733  schedtool-dl, which can be used to setup SCHED_DEADLINE parameters for a
734  certain pid/application. schedtool-dl is available at:
735  https://github.com/scheduler-tools/schedtool-dl.git.
736
737  The usage is straightforward:
738
739   # schedtool -E -t 10000000:100000000 -e ./my_cpuhog_app
740
741  With this, my_cpuhog_app is put to run inside a SCHED_DEADLINE reservation
742  of 10ms every 100ms (note that parameters are expressed in microseconds).
743  You can also use schedtool to create a reservation for an already running
744  application, given that you know its pid:
745
746   # schedtool -E -t 10000000:100000000 my_app_pid
747
748 Appendix B. Minimal main()
749 ==========================
750
751  We provide in what follows a simple (ugly) self-contained code snippet
752  showing how SCHED_DEADLINE reservations can be created by a real-time
753  application developer.
754
755  #define _GNU_SOURCE
756  #include <unistd.h>
757  #include <stdio.h>
758  #include <stdlib.h>
759  #include <string.h>
760  #include <time.h>
761  #include <linux/unistd.h>
762  #include <linux/kernel.h>
763  #include <linux/types.h>
764  #include <sys/syscall.h>
765  #include <pthread.h>
766
767  #define gettid() syscall(__NR_gettid)
768
769  #define SCHED_DEADLINE 6
770
771  /* XXX use the proper syscall numbers */
772  #ifdef __x86_64__
773  #define __NR_sched_setattr             314
774  #define __NR_sched_getattr             315
775  #endif
776
777  #ifdef __i386__
778  #define __NR_sched_setattr             351
779  #define __NR_sched_getattr             352
780  #endif
781
782  #ifdef __arm__
783  #define __NR_sched_setattr             380
784  #define __NR_sched_getattr             381
785  #endif
786
787  static volatile int done;
788
789  struct sched_attr {
790         __u32 size;
791
792         __u32 sched_policy;
793         __u64 sched_flags;
794
795         /* SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH */
796         __s32 sched_nice;
797
798         /* SCHED_FIFO, SCHED_RR */
799         __u32 sched_priority;
800
801         /* SCHED_DEADLINE (nsec) */
802         __u64 sched_runtime;
803         __u64 sched_deadline;
804         __u64 sched_period;
805  };
806
807  int sched_setattr(pid_t pid,
808                   const struct sched_attr *attr,
809                   unsigned int flags)
810  {
811         return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags);
812  }
813
814  int sched_getattr(pid_t pid,
815                   struct sched_attr *attr,
816                   unsigned int size,
817                   unsigned int flags)
818  {
819         return syscall(__NR_sched_getattr, pid, attr, size, flags);
820  }
821
822  void *run_deadline(void *data)
823  {
824         struct sched_attr attr;
825         int x = 0;
826         int ret;
827         unsigned int flags = 0;
828
829         printf("deadline thread started [%ld]\n", gettid());
830
831         attr.size = sizeof(attr);
832         attr.sched_flags = 0;
833         attr.sched_nice = 0;
834         attr.sched_priority = 0;
835
836         /* This creates a 10ms/30ms reservation */
837         attr.sched_policy = SCHED_DEADLINE;
838         attr.sched_runtime = 10 * 1000 * 1000;
839         attr.sched_period = attr.sched_deadline = 30 * 1000 * 1000;
840
841         ret = sched_setattr(0, &attr, flags);
842         if (ret < 0) {
843                 done = 0;
844                 perror("sched_setattr");
845                 exit(-1);
846         }
847
848         while (!done) {
849                 x++;
850         }
851
852         printf("deadline thread dies [%ld]\n", gettid());
853         return NULL;
854  }
855
856  int main (int argc, char **argv)
857  {
858         pthread_t thread;
859
860         printf("main thread [%ld]\n", gettid());
861
862         pthread_create(&thread, NULL, run_deadline, NULL);
863
864         sleep(10);
865
866         done = 1;
867         pthread_join(thread, NULL);
868
869         printf("main dies [%ld]\n", gettid());
870         return 0;
871  }