Documentation/timers/NO_HZ.txt

   1                 NO_HZ: Reducing Scheduling-Clock Ticks
   2
   3
   4 This document describes Kconfig options and boot parameters that can
   5 reduce the number of scheduling-clock interrupts, thereby improving energy
   6 efficiency and reducing OS jitter.  Reducing OS jitter is important for
   7 some types of computationally intensive high-performance computing (HPC)
   8 applications and for real-time applications.
   9
  10 There are three main ways of managing scheduling-clock interrupts
  11 (also known as "scheduling-clock ticks" or simply "ticks"):
  12
  13 1.      Never omit scheduling-clock ticks (CONFIG_HZ_PERIODIC=y or
  14         CONFIG_NO_HZ=n for older kernels).  You normally will -not-
  15         want to choose this option.
  16
  17 2.      Omit scheduling-clock ticks on idle CPUs (CONFIG_NO_HZ_IDLE=y or
  18         CONFIG_NO_HZ=y for older kernels).  This is the most common
  19         approach, and should be the default.
  20
  21 3.      Omit scheduling-clock ticks on CPUs that are either idle or that
  22         have only one runnable task (CONFIG_NO_HZ_FULL=y).  Unless you
  23         are running realtime applications or certain types of HPC
  24         workloads, you will normally -not- want this option.
  25
  26 These three cases are described in the following three sections, followed
  27 by a third section on RCU-specific considerations, a fourth section
  28 discussing testing, and a fifth and final section listing known issues.
  29
  30
  31 NEVER OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS
  32
  33 Very old versions of Linux from the 1990s and the very early 2000s
  34 are incapable of omitting scheduling-clock ticks.  It turns out that
  35 there are some situations where this old-school approach is still the
  36 right approach, for example, in heavy workloads with lots of tasks
  37 that use short bursts of CPU, where there are very frequent idle
  38 periods, but where these idle periods are also quite short (tens or
  39 hundreds of microseconds).  For these types of workloads, scheduling
  40 clock interrupts will normally be delivered any way because there
  41 will frequently be multiple runnable tasks per CPU.  In these cases,
  42 attempting to turn off the scheduling clock interrupt will have no effect
  43 other than increasing the overhead of switching to and from idle and
  44 transitioning between user and kernel execution.
  45
  46 This mode of operation can be selected using CONFIG_HZ_PERIODIC=y (or
  47 CONFIG_NO_HZ=n for older kernels).
  48
  49 However, if you are instead running a light workload with long idle
  50 periods, failing to omit scheduling-clock interrupts will result in
  51 excessive power consumption.  This is especially bad on battery-powered
  52 devices, where it results in extremely short battery lifetimes.  If you
  53 are running light workloads, you should therefore read the following
  54 section.
  55
  56 In addition, if you are running either a real-time workload or an HPC
  57 workload with short iterations, the scheduling-clock interrupts can
  58 degrade your applications performance.  If this describes your workload,
  59 you should read the following two sections.
  60
  61
  62 OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS FOR IDLE CPUs
  63
  64 If a CPU is idle, there is little point in sending it a scheduling-clock
  65 interrupt.  After all, the primary purpose of a scheduling-clock interrupt
  66 is to force a busy CPU to shift its attention among multiple duties,
  67 and an idle CPU has no duties to shift its attention among.
  68
  69 The CONFIG_NO_HZ_IDLE=y Kconfig option causes the kernel to avoid sending
  70 scheduling-clock interrupts to idle CPUs, which is critically important
  71 both to battery-powered devices and to highly virtualized mainframes.
  72 A battery-powered device running a CONFIG_HZ_PERIODIC=y kernel would
  73 drain its battery very quickly, easily 2-3 times as fast as would the
  74 same device running a CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernel.  A mainframe running
  75 1,500 OS instances might find that half of its CPU time was consumed by
  76 unnecessary scheduling-clock interrupts.  In these situations, there
  77 is strong motivation to avoid sending scheduling-clock interrupts to
  78 idle CPUs.  That said, dyntick-idle mode is not free:
  79
  80 1.      It increases the number of instructions executed on the path
  81         to and from the idle loop.
  82
  83 2.      On many architectures, dyntick-idle mode also increases the
  84         number of expensive clock-reprogramming operations.
  85
  86 Therefore, systems with aggressive real-time response constraints often
  87 run CONFIG_HZ_PERIODIC=y kernels (or CONFIG_NO_HZ=n for older kernels)
  88 in order to avoid degrading from-idle transition latencies.
  89
  90 An idle CPU that is not receiving scheduling-clock interrupts is said to
  91 be "dyntick-idle", "in dyntick-idle mode", "in nohz mode", or "running
  92 tickless".  The remainder of this document will use "dyntick-idle mode".
  93
  94 There is also a boot parameter "nohz=" that can be used to disable
  95 dyntick-idle mode in CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernels by specifying "nohz=off".
  96 By default, CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernels boot with "nohz=on", enabling
  97 dyntick-idle mode.
  98
  99
 100 OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS FOR CPUs WITH ONLY ONE RUNNABLE TASK
 101
 102 If a CPU has only one runnable task, there is little point in sending it
 103 a scheduling-clock interrupt because there is no other task to switch to.
 104 Note that omitting scheduling-clock ticks for CPUs with only one runnable
 105 task implies also omitting them for idle CPUs.
 106
 107 The CONFIG_NO_HZ_FULL=y Kconfig option causes the kernel to avoid
 108 sending scheduling-clock interrupts to CPUs with a single runnable task,
 109 and such CPUs are said to be "adaptive-ticks CPUs".  This is important
 110 for applications with aggressive real-time response constraints because
 111 it allows them to improve their worst-case response times by the maximum
 112 duration of a scheduling-clock interrupt.  It is also important for
 113 computationally intensive short-iteration workloads:  If any CPU is
 114 delayed during a given iteration, all the other CPUs will be forced to
 115 wait idle while the delayed CPU finishes.  Thus, the delay is multiplied
 116 by one less than the number of CPUs.  In these situations, there is
 117 again strong motivation to avoid sending scheduling-clock interrupts.
 118
 119 By default, no CPU will be an adaptive-ticks CPU.  The "nohz_full="
 120 boot parameter specifies the adaptive-ticks CPUs.  For example,
 121 "nohz_full=1,6-8" says that CPUs 1, 6, 7, and 8 are to be adaptive-ticks
 122 CPUs.  Note that you are prohibited from marking all of the CPUs as
 123 adaptive-tick CPUs:  At least one non-adaptive-tick CPU must remain
 124 online to handle timekeeping tasks in order to ensure that system
 125 calls like gettimeofday() returns accurate values on adaptive-tick CPUs.
 126 (This is not an issue for CONFIG_NO_HZ_IDLE=y because there are no running
 127 user processes to observe slight drifts in clock rate.)  Therefore, the
 128 boot CPU is prohibited from entering adaptive-ticks mode.  Specifying a
 129 "nohz_full=" mask that includes the boot CPU will result in a boot-time
 130 error message, and the boot CPU will be removed from the mask.  Note that
 131 this means that your system must have at least two CPUs in order for
 132 CONFIG_NO_HZ_FULL=y to do anything for you.
 133
 134 Alternatively, the CONFIG_NO_HZ_FULL_ALL=y Kconfig parameter specifies
 135 that all CPUs other than the boot CPU are adaptive-ticks CPUs.  This
 136 Kconfig parameter will be overridden by the "nohz_full=" boot parameter,
 137 so that if both the CONFIG_NO_HZ_FULL_ALL=y Kconfig parameter and
 138 the "nohz_full=1" boot parameter is specified, the boot parameter will
 139 prevail so that only CPU 1 will be an adaptive-ticks CPU.
 140
 141 Finally, adaptive-ticks CPUs must have their RCU callbacks offloaded.
 142 This is covered in the "RCU IMPLICATIONS" section below.
 143
 144 Normally, a CPU remains in adaptive-ticks mode as long as possible.
 145 In particular, transitioning to kernel mode does not automatically change
 146 the mode.  Instead, the CPU will exit adaptive-ticks mode only if needed,
 147 for example, if that CPU enqueues an RCU callback.
 148
 149 Just as with dyntick-idle mode, the benefits of adaptive-tick mode do
 150 not come for free:
 151
 152 1.      CONFIG_NO_HZ_FULL selects CONFIG_NO_HZ_COMMON, so you cannot run
 153         adaptive ticks without also running dyntick idle.  This dependency
 154         extends down into the implementation, so that all of the costs
 155         of CONFIG_NO_HZ_IDLE are also incurred by CONFIG_NO_HZ_FULL.
 156
 157 2.      The user/kernel transitions are slightly more expensive due
 158         to the need to inform kernel subsystems (such as RCU) about
 159         the change in mode.
 160
 161 3.      POSIX CPU timers prevent CPUs from entering adaptive-tick mode.
 162         Real-time applications needing to take actions based on CPU time
 163         consumption need to use other means of doing so.
 164
 165 4.      If there are more perf events pending than the hardware can
 166         accommodate, they are normally round-robined so as to collect
 167         all of them over time.  Adaptive-tick mode may prevent this
 168         round-robining from happening.  This will likely be fixed by
 169         preventing CPUs with large numbers of perf events pending from
 170         entering adaptive-tick mode.
 171
 172 5.      Scheduler statistics for adaptive-tick CPUs may be computed
 173         slightly differently than those for non-adaptive-tick CPUs.
 174         This might in turn perturb load-balancing of real-time tasks.
 175
 176 6.      The LB_BIAS scheduler feature is disabled by adaptive ticks.
 177
 178 Although improvements are expected over time, adaptive ticks is quite
 179 useful for many types of real-time and compute-intensive applications.
 180 However, the drawbacks listed above mean that adaptive ticks should not
 181 (yet) be enabled by default.
 182
 183
 184 RCU IMPLICATIONS
 185
 186 There are situations in which idle CPUs cannot be permitted to
 187 enter either dyntick-idle mode or adaptive-tick mode, the most
 188 common being when that CPU has RCU callbacks pending.
 189
 190 The CONFIG_RCU_FAST_NO_HZ=y Kconfig option may be used to cause such CPUs
 191 to enter dyntick-idle mode or adaptive-tick mode anyway.  In this case,
 192 a timer will awaken these CPUs every four jiffies in order to ensure
 193 that the RCU callbacks are processed in a timely fashion.
 194
 195 Another approach is to offload RCU callback processing to "rcuo" kthreads
 196 using the CONFIG_RCU_NOCB_CPU=y Kconfig option.  The specific CPUs to
 197 offload may be selected using The "rcu_nocbs=" kernel boot parameter,
 198 which takes a comma-separated list of CPUs and CPU ranges, for example,
 199 "1,3-5" selects CPUs 1, 3, 4, and 5.
 200
 201 The offloaded CPUs will never queue RCU callbacks, and therefore RCU
 202 never prevents offloaded CPUs from entering either dyntick-idle mode
 203 or adaptive-tick mode.  That said, note that it is up to userspace to
 204 pin the "rcuo" kthreads to specific CPUs if desired.  Otherwise, the
 205 scheduler will decide where to run them, which might or might not be
 206 where you want them to run.
 207
 208
 209 TESTING
 210
 211 So you enable all the OS-jitter features described in this document,
 212 but do not see any change in your workload's behavior.  Is this because
 213 your workload isn't affected that much by OS jitter, or is it because
 214 something else is in the way?  This section helps answer this question
 215 by providing a simple OS-jitter test suite, which is available on branch
 216 master of the following git archive:
 217
 218 git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/frederic/dynticks-testing.git
 219
 220 Clone this archive and follow the instructions in the README file.
 221 This test procedure will produce a trace that will allow you to evaluate
 222 whether or not you have succeeded in removing OS jitter from your system.
 223 If this trace shows that you have removed OS jitter as much as is
 224 possible, then you can conclude that your workload is not all that
 225 sensitive to OS jitter.
 226
 227 Note: this test requires that your system have at least two CPUs.
 228 We do not currently have a good way to remove OS jitter from single-CPU
 229 systems.
 230
 231
 232 KNOWN ISSUES
 233
 234 o       Dyntick-idle slows transitions to and from idle slightly.
 235         In practice, this has not been a problem except for the most
 236         aggressive real-time workloads, which have the option of disabling
 237         dyntick-idle mode, an option that most of them take.  However,
 238         some workloads will no doubt want to use adaptive ticks to
 239         eliminate scheduling-clock interrupt latencies.  Here are some
 240         options for these workloads:
 241
 242         a.      Use PMQOS from userspace to inform the kernel of your
 243                 latency requirements (preferred).
 244
 245         b.      On x86 systems, use the "idle=mwait" boot parameter.
 246
 247         c.      On x86 systems, use the "intel_idle.max_cstate=" to limit
 248         `       the maximum C-state depth.
 249
 250         d.      On x86 systems, use the "idle=poll" boot parameter.
 251                 However, please note that use of this parameter can cause
 252                 your CPU to overheat, which may cause thermal throttling
 253                 to degrade your latencies -- and that this degradation can
 254                 be even worse than that of dyntick-idle.  Furthermore,
 255                 this parameter effectively disables Turbo Mode on Intel
 256                 CPUs, which can significantly reduce maximum performance.
 257
 258 o       Adaptive-ticks slows user/kernel transitions slightly.
 259         This is not expected to be a problem for computationally intensive
 260         workloads, which have few such transitions.  Careful benchmarking
 261         will be required to determine whether or not other workloads
 262         are significantly affected by this effect.
 263
 264 o       Adaptive-ticks does not do anything unless there is only one
 265         runnable task for a given CPU, even though there are a number
 266         of other situations where the scheduling-clock tick is not
 267         needed.  To give but one example, consider a CPU that has one
 268         runnable high-priority SCHED_FIFO task and an arbitrary number
 269         of low-priority SCHED_OTHER tasks.  In this case, the CPU is
 270         required to run the SCHED_FIFO task until it either blocks or
 271         some other higher-priority task awakens on (or is assigned to)
 272         this CPU, so there is no point in sending a scheduling-clock
 273         interrupt to this CPU.  However, the current implementation
 274         nevertheless sends scheduling-clock interrupts to CPUs having a
 275         single runnable SCHED_FIFO task and multiple runnable SCHED_OTHER
 276         tasks, even though these interrupts are unnecessary.
 277
 278         And even when there are multiple runnable tasks on a given CPU,
 279         there is little point in interrupting that CPU until the current
 280         running task's timeslice expires, which is almost always way
 281         longer than the time of the next scheduling-clock interrupt.
 282
 283         Better handling of these sorts of situations is future work.
 284
 285 o       A reboot is required to reconfigure both adaptive idle and RCU
 286         callback offloading.  Runtime reconfiguration could be provided
 287         if needed, however, due to the complexity of reconfiguring RCU at
 288         runtime, there would need to be an earthshakingly good reason.
 289         Especially given that you have the straightforward option of
 290         simply offloading RCU callbacks from all CPUs and pinning them
 291         where you want them whenever you want them pinned.
 292
 293 o       Additional configuration is required to deal with other sources
 294         of OS jitter, including interrupts and system-utility tasks
 295         and processes.  This configuration normally involves binding
 296         interrupts and tasks to particular CPUs.
 297
 298 o       Some sources of OS jitter can currently be eliminated only by
 299         constraining the workload.  For example, the only way to eliminate
 300         OS jitter due to global TLB shootdowns is to avoid the unmapping
 301         operations (such as kernel module unload operations) that
 302         result in these shootdowns.  For another example, page faults
 303         and TLB misses can be reduced (and in some cases eliminated) by
 304         using huge pages and by constraining the amount of memory used
 305         by the application.  Pre-faulting the working set can also be
 306         helpful, especially when combined with the mlock() and mlockall()
 307         system calls.
 308
 309 o       Unless all CPUs are idle, at least one CPU must keep the
 310         scheduling-clock interrupt going in order to support accurate
 311         timekeeping.
 312
 313 o       If there might potentially be some adaptive-ticks CPUs, there
 314         will be at least one CPU keeping the scheduling-clock interrupt
 315         going, even if all CPUs are otherwise idle.
 316
 317         Better handling of this situation is ongoing work.
 318
 319 o       Some process-handling operations still require the occasional
 320         scheduling-clock tick.  These operations include calculating CPU
 321         load, maintaining sched average, computing CFS entity vruntime,
 322         computing avenrun, and carrying out load balancing.  They are
 323         currently accommodated by scheduling-clock tick every second
 324         or so.  On-going work will eliminate the need even for these
 325         infrequent scheduling-clock ticks.