Merge tag 'md/3.17' of git://neil.brown.name/md
[sfrench/cifs-2.6.git] / kernel / sched / proc.c
1 /*
2  *  kernel/sched/proc.c
3  *
4  *  Kernel load calculations, forked from sched/core.c
5  */
6
7 #include <linux/export.h>
8
9 #include "sched.h"
10
11 unsigned long this_cpu_load(void)
12 {
13         struct rq *this = this_rq();
14         return this->cpu_load[0];
15 }
16
17
18 /*
19  * Global load-average calculations
20  *
21  * We take a distributed and async approach to calculating the global load-avg
22  * in order to minimize overhead.
23  *
24  * The global load average is an exponentially decaying average of nr_running +
25  * nr_uninterruptible.
26  *
27  * Once every LOAD_FREQ:
28  *
29  *   nr_active = 0;
30  *   for_each_possible_cpu(cpu)
31  *      nr_active += cpu_of(cpu)->nr_running + cpu_of(cpu)->nr_uninterruptible;
32  *
33  *   avenrun[n] = avenrun[0] * exp_n + nr_active * (1 - exp_n)
34  *
35  * Due to a number of reasons the above turns in the mess below:
36  *
37  *  - for_each_possible_cpu() is prohibitively expensive on machines with
38  *    serious number of cpus, therefore we need to take a distributed approach
39  *    to calculating nr_active.
40  *
41  *        \Sum_i x_i(t) = \Sum_i x_i(t) - x_i(t_0) | x_i(t_0) := 0
42  *                      = \Sum_i { \Sum_j=1 x_i(t_j) - x_i(t_j-1) }
43  *
44  *    So assuming nr_active := 0 when we start out -- true per definition, we
45  *    can simply take per-cpu deltas and fold those into a global accumulate
46  *    to obtain the same result. See calc_load_fold_active().
47  *
48  *    Furthermore, in order to avoid synchronizing all per-cpu delta folding
49  *    across the machine, we assume 10 ticks is sufficient time for every
50  *    cpu to have completed this task.
51  *
52  *    This places an upper-bound on the IRQ-off latency of the machine. Then
53  *    again, being late doesn't loose the delta, just wrecks the sample.
54  *
55  *  - cpu_rq()->nr_uninterruptible isn't accurately tracked per-cpu because
56  *    this would add another cross-cpu cacheline miss and atomic operation
57  *    to the wakeup path. Instead we increment on whatever cpu the task ran
58  *    when it went into uninterruptible state and decrement on whatever cpu
59  *    did the wakeup. This means that only the sum of nr_uninterruptible over
60  *    all cpus yields the correct result.
61  *
62  *  This covers the NO_HZ=n code, for extra head-aches, see the comment below.
63  */
64
65 /* Variables and functions for calc_load */
66 atomic_long_t calc_load_tasks;
67 unsigned long calc_load_update;
68 unsigned long avenrun[3];
69 EXPORT_SYMBOL(avenrun); /* should be removed */
70
71 /**
72  * get_avenrun - get the load average array
73  * @loads:      pointer to dest load array
74  * @offset:     offset to add
75  * @shift:      shift count to shift the result left
76  *
77  * These values are estimates at best, so no need for locking.
78  */
79 void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift)
80 {
81         loads[0] = (avenrun[0] + offset) << shift;
82         loads[1] = (avenrun[1] + offset) << shift;
83         loads[2] = (avenrun[2] + offset) << shift;
84 }
85
86 long calc_load_fold_active(struct rq *this_rq)
87 {
88         long nr_active, delta = 0;
89
90         nr_active = this_rq->nr_running;
91         nr_active += (long) this_rq->nr_uninterruptible;
92
93         if (nr_active != this_rq->calc_load_active) {
94                 delta = nr_active - this_rq->calc_load_active;
95                 this_rq->calc_load_active = nr_active;
96         }
97
98         return delta;
99 }
100
101 /*
102  * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
103  */
104 static unsigned long
105 calc_load(unsigned long load, unsigned long exp, unsigned long active)
106 {
107         load *= exp;
108         load += active * (FIXED_1 - exp);
109         load += 1UL << (FSHIFT - 1);
110         return load >> FSHIFT;
111 }
112
113 #ifdef CONFIG_NO_HZ_COMMON
114 /*
115  * Handle NO_HZ for the global load-average.
116  *
117  * Since the above described distributed algorithm to compute the global
118  * load-average relies on per-cpu sampling from the tick, it is affected by
119  * NO_HZ.
120  *
121  * The basic idea is to fold the nr_active delta into a global idle-delta upon
122  * entering NO_HZ state such that we can include this as an 'extra' cpu delta
123  * when we read the global state.
124  *
125  * Obviously reality has to ruin such a delightfully simple scheme:
126  *
127  *  - When we go NO_HZ idle during the window, we can negate our sample
128  *    contribution, causing under-accounting.
129  *
130  *    We avoid this by keeping two idle-delta counters and flipping them
131  *    when the window starts, thus separating old and new NO_HZ load.
132  *
133  *    The only trick is the slight shift in index flip for read vs write.
134  *
135  *        0s            5s            10s           15s
136  *          +10           +10           +10           +10
137  *        |-|-----------|-|-----------|-|-----------|-|
138  *    r:0 0 1           1 0           0 1           1 0
139  *    w:0 1 1           0 0           1 1           0 0
140  *
141  *    This ensures we'll fold the old idle contribution in this window while
142  *    accumlating the new one.
143  *
144  *  - When we wake up from NO_HZ idle during the window, we push up our
145  *    contribution, since we effectively move our sample point to a known
146  *    busy state.
147  *
148  *    This is solved by pushing the window forward, and thus skipping the
149  *    sample, for this cpu (effectively using the idle-delta for this cpu which
150  *    was in effect at the time the window opened). This also solves the issue
151  *    of having to deal with a cpu having been in NOHZ idle for multiple
152  *    LOAD_FREQ intervals.
153  *
154  * When making the ILB scale, we should try to pull this in as well.
155  */
156 static atomic_long_t calc_load_idle[2];
157 static int calc_load_idx;
158
159 static inline int calc_load_write_idx(void)
160 {
161         int idx = calc_load_idx;
162
163         /*
164          * See calc_global_nohz(), if we observe the new index, we also
165          * need to observe the new update time.
166          */
167         smp_rmb();
168
169         /*
170          * If the folding window started, make sure we start writing in the
171          * next idle-delta.
172          */
173         if (!time_before(jiffies, calc_load_update))
174                 idx++;
175
176         return idx & 1;
177 }
178
179 static inline int calc_load_read_idx(void)
180 {
181         return calc_load_idx & 1;
182 }
183
184 void calc_load_enter_idle(void)
185 {
186         struct rq *this_rq = this_rq();
187         long delta;
188
189         /*
190          * We're going into NOHZ mode, if there's any pending delta, fold it
191          * into the pending idle delta.
192          */
193         delta = calc_load_fold_active(this_rq);
194         if (delta) {
195                 int idx = calc_load_write_idx();
196                 atomic_long_add(delta, &calc_load_idle[idx]);
197         }
198 }
199
200 void calc_load_exit_idle(void)
201 {
202         struct rq *this_rq = this_rq();
203
204         /*
205          * If we're still before the sample window, we're done.
206          */
207         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
208                 return;
209
210         /*
211          * We woke inside or after the sample window, this means we're already
212          * accounted through the nohz accounting, so skip the entire deal and
213          * sync up for the next window.
214          */
215         this_rq->calc_load_update = calc_load_update;
216         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update + 10))
217                 this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
218 }
219
220 static long calc_load_fold_idle(void)
221 {
222         int idx = calc_load_read_idx();
223         long delta = 0;
224
225         if (atomic_long_read(&calc_load_idle[idx]))
226                 delta = atomic_long_xchg(&calc_load_idle[idx], 0);
227
228         return delta;
229 }
230
231 /**
232  * fixed_power_int - compute: x^n, in O(log n) time
233  *
234  * @x:         base of the power
235  * @frac_bits: fractional bits of @x
236  * @n:         power to raise @x to.
237  *
238  * By exploiting the relation between the definition of the natural power
239  * function: x^n := x*x*...*x (x multiplied by itself for n times), and
240  * the binary encoding of numbers used by computers: n := \Sum n_i * 2^i,
241  * (where: n_i \elem {0, 1}, the binary vector representing n),
242  * we find: x^n := x^(\Sum n_i * 2^i) := \Prod x^(n_i * 2^i), which is
243  * of course trivially computable in O(log_2 n), the length of our binary
244  * vector.
245  */
246 static unsigned long
247 fixed_power_int(unsigned long x, unsigned int frac_bits, unsigned int n)
248 {
249         unsigned long result = 1UL << frac_bits;
250
251         if (n) for (;;) {
252                 if (n & 1) {
253                         result *= x;
254                         result += 1UL << (frac_bits - 1);
255                         result >>= frac_bits;
256                 }
257                 n >>= 1;
258                 if (!n)
259                         break;
260                 x *= x;
261                 x += 1UL << (frac_bits - 1);
262                 x >>= frac_bits;
263         }
264
265         return result;
266 }
267
268 /*
269  * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
270  *
271  * a2 = a1 * e + a * (1 - e)
272  *    = (a0 * e + a * (1 - e)) * e + a * (1 - e)
273  *    = a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)
274  *
275  * a3 = a2 * e + a * (1 - e)
276  *    = (a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)) * e + a * (1 - e)
277  *    = a0 * e^3 + a * (1 - e) * (1 + e + e^2)
278  *
279  *  ...
280  *
281  * an = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 + e + ... + e^n-1) [1]
282  *    = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 - e^n)/(1 - e)
283  *    = a0 * e^n + a * (1 - e^n)
284  *
285  * [1] application of the geometric series:
286  *
287  *              n         1 - x^(n+1)
288  *     S_n := \Sum x^i = -------------
289  *             i=0          1 - x
290  */
291 static unsigned long
292 calc_load_n(unsigned long load, unsigned long exp,
293             unsigned long active, unsigned int n)
294 {
295
296         return calc_load(load, fixed_power_int(exp, FSHIFT, n), active);
297 }
298
299 /*
300  * NO_HZ can leave us missing all per-cpu ticks calling
301  * calc_load_account_active(), but since an idle CPU folds its delta into
302  * calc_load_tasks_idle per calc_load_account_idle(), all we need to do is fold
303  * in the pending idle delta if our idle period crossed a load cycle boundary.
304  *
305  * Once we've updated the global active value, we need to apply the exponential
306  * weights adjusted to the number of cycles missed.
307  */
308 static void calc_global_nohz(void)
309 {
310         long delta, active, n;
311
312         if (!time_before(jiffies, calc_load_update + 10)) {
313                 /*
314                  * Catch-up, fold however many we are behind still
315                  */
316                 delta = jiffies - calc_load_update - 10;
317                 n = 1 + (delta / LOAD_FREQ);
318
319                 active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
320                 active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
321
322                 avenrun[0] = calc_load_n(avenrun[0], EXP_1, active, n);
323                 avenrun[1] = calc_load_n(avenrun[1], EXP_5, active, n);
324                 avenrun[2] = calc_load_n(avenrun[2], EXP_15, active, n);
325
326                 calc_load_update += n * LOAD_FREQ;
327         }
328
329         /*
330          * Flip the idle index...
331          *
332          * Make sure we first write the new time then flip the index, so that
333          * calc_load_write_idx() will see the new time when it reads the new
334          * index, this avoids a double flip messing things up.
335          */
336         smp_wmb();
337         calc_load_idx++;
338 }
339 #else /* !CONFIG_NO_HZ_COMMON */
340
341 static inline long calc_load_fold_idle(void) { return 0; }
342 static inline void calc_global_nohz(void) { }
343
344 #endif /* CONFIG_NO_HZ_COMMON */
345
346 /*
347  * calc_load - update the avenrun load estimates 10 ticks after the
348  * CPUs have updated calc_load_tasks.
349  */
350 void calc_global_load(unsigned long ticks)
351 {
352         long active, delta;
353
354         if (time_before(jiffies, calc_load_update + 10))
355                 return;
356
357         /*
358          * Fold the 'old' idle-delta to include all NO_HZ cpus.
359          */
360         delta = calc_load_fold_idle();
361         if (delta)
362                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
363
364         active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
365         active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
366
367         avenrun[0] = calc_load(avenrun[0], EXP_1, active);
368         avenrun[1] = calc_load(avenrun[1], EXP_5, active);
369         avenrun[2] = calc_load(avenrun[2], EXP_15, active);
370
371         calc_load_update += LOAD_FREQ;
372
373         /*
374          * In case we idled for multiple LOAD_FREQ intervals, catch up in bulk.
375          */
376         calc_global_nohz();
377 }
378
379 /*
380  * Called from update_cpu_load() to periodically update this CPU's
381  * active count.
382  */
383 static void calc_load_account_active(struct rq *this_rq)
384 {
385         long delta;
386
387         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
388                 return;
389
390         delta  = calc_load_fold_active(this_rq);
391         if (delta)
392                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
393
394         this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
395 }
396
397 /*
398  * End of global load-average stuff
399  */
400
401 /*
402  * The exact cpuload at various idx values, calculated at every tick would be
403  * load = (2^idx - 1) / 2^idx * load + 1 / 2^idx * cur_load
404  *
405  * If a cpu misses updates for n-1 ticks (as it was idle) and update gets called
406  * on nth tick when cpu may be busy, then we have:
407  * load = ((2^idx - 1) / 2^idx)^(n-1) * load
408  * load = (2^idx - 1) / 2^idx) * load + 1 / 2^idx * cur_load
409  *
410  * decay_load_missed() below does efficient calculation of
411  * load = ((2^idx - 1) / 2^idx)^(n-1) * load
412  * avoiding 0..n-1 loop doing load = ((2^idx - 1) / 2^idx) * load
413  *
414  * The calculation is approximated on a 128 point scale.
415  * degrade_zero_ticks is the number of ticks after which load at any
416  * particular idx is approximated to be zero.
417  * degrade_factor is a precomputed table, a row for each load idx.
418  * Each column corresponds to degradation factor for a power of two ticks,
419  * based on 128 point scale.
420  * Example:
421  * row 2, col 3 (=12) says that the degradation at load idx 2 after
422  * 8 ticks is 12/128 (which is an approximation of exact factor 3^8/4^8).
423  *
424  * With this power of 2 load factors, we can degrade the load n times
425  * by looking at 1 bits in n and doing as many mult/shift instead of
426  * n mult/shifts needed by the exact degradation.
427  */
428 #define DEGRADE_SHIFT           7
429 static const unsigned char
430                 degrade_zero_ticks[CPU_LOAD_IDX_MAX] = {0, 8, 32, 64, 128};
431 static const unsigned char
432                 degrade_factor[CPU_LOAD_IDX_MAX][DEGRADE_SHIFT + 1] = {
433                                         {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
434                                         {64, 32, 8, 0, 0, 0, 0, 0},
435                                         {96, 72, 40, 12, 1, 0, 0},
436                                         {112, 98, 75, 43, 15, 1, 0},
437                                         {120, 112, 98, 76, 45, 16, 2} };
438
439 /*
440  * Update cpu_load for any missed ticks, due to tickless idle. The backlog
441  * would be when CPU is idle and so we just decay the old load without
442  * adding any new load.
443  */
444 static unsigned long
445 decay_load_missed(unsigned long load, unsigned long missed_updates, int idx)
446 {
447         int j = 0;
448
449         if (!missed_updates)
450                 return load;
451
452         if (missed_updates >= degrade_zero_ticks[idx])
453                 return 0;
454
455         if (idx == 1)
456                 return load >> missed_updates;
457
458         while (missed_updates) {
459                 if (missed_updates % 2)
460                         load = (load * degrade_factor[idx][j]) >> DEGRADE_SHIFT;
461
462                 missed_updates >>= 1;
463                 j++;
464         }
465         return load;
466 }
467
468 /*
469  * Update rq->cpu_load[] statistics. This function is usually called every
470  * scheduler tick (TICK_NSEC). With tickless idle this will not be called
471  * every tick. We fix it up based on jiffies.
472  */
473 static void __update_cpu_load(struct rq *this_rq, unsigned long this_load,
474                               unsigned long pending_updates)
475 {
476         int i, scale;
477
478         this_rq->nr_load_updates++;
479
480         /* Update our load: */
481         this_rq->cpu_load[0] = this_load; /* Fasttrack for idx 0 */
482         for (i = 1, scale = 2; i < CPU_LOAD_IDX_MAX; i++, scale += scale) {
483                 unsigned long old_load, new_load;
484
485                 /* scale is effectively 1 << i now, and >> i divides by scale */
486
487                 old_load = this_rq->cpu_load[i];
488                 old_load = decay_load_missed(old_load, pending_updates - 1, i);
489                 new_load = this_load;
490                 /*
491                  * Round up the averaging division if load is increasing. This
492                  * prevents us from getting stuck on 9 if the load is 10, for
493                  * example.
494                  */
495                 if (new_load > old_load)
496                         new_load += scale - 1;
497
498                 this_rq->cpu_load[i] = (old_load * (scale - 1) + new_load) >> i;
499         }
500
501         sched_avg_update(this_rq);
502 }
503
504 #ifdef CONFIG_SMP
505 static inline unsigned long get_rq_runnable_load(struct rq *rq)
506 {
507         return rq->cfs.runnable_load_avg;
508 }
509 #else
510 static inline unsigned long get_rq_runnable_load(struct rq *rq)
511 {
512         return rq->load.weight;
513 }
514 #endif
515
516 #ifdef CONFIG_NO_HZ_COMMON
517 /*
518  * There is no sane way to deal with nohz on smp when using jiffies because the
519  * cpu doing the jiffies update might drift wrt the cpu doing the jiffy reading
520  * causing off-by-one errors in observed deltas; {0,2} instead of {1,1}.
521  *
522  * Therefore we cannot use the delta approach from the regular tick since that
523  * would seriously skew the load calculation. However we'll make do for those
524  * updates happening while idle (nohz_idle_balance) or coming out of idle
525  * (tick_nohz_idle_exit).
526  *
527  * This means we might still be one tick off for nohz periods.
528  */
529
530 /*
531  * Called from nohz_idle_balance() to update the load ratings before doing the
532  * idle balance.
533  */
534 void update_idle_cpu_load(struct rq *this_rq)
535 {
536         unsigned long curr_jiffies = ACCESS_ONCE(jiffies);
537         unsigned long load = get_rq_runnable_load(this_rq);
538         unsigned long pending_updates;
539
540         /*
541          * bail if there's load or we're actually up-to-date.
542          */
543         if (load || curr_jiffies == this_rq->last_load_update_tick)
544                 return;
545
546         pending_updates = curr_jiffies - this_rq->last_load_update_tick;
547         this_rq->last_load_update_tick = curr_jiffies;
548
549         __update_cpu_load(this_rq, load, pending_updates);
550 }
551
552 /*
553  * Called from tick_nohz_idle_exit() -- try and fix up the ticks we missed.
554  */
555 void update_cpu_load_nohz(void)
556 {
557         struct rq *this_rq = this_rq();
558         unsigned long curr_jiffies = ACCESS_ONCE(jiffies);
559         unsigned long pending_updates;
560
561         if (curr_jiffies == this_rq->last_load_update_tick)
562                 return;
563
564         raw_spin_lock(&this_rq->lock);
565         pending_updates = curr_jiffies - this_rq->last_load_update_tick;
566         if (pending_updates) {
567                 this_rq->last_load_update_tick = curr_jiffies;
568                 /*
569                  * We were idle, this means load 0, the current load might be
570                  * !0 due to remote wakeups and the sort.
571                  */
572                 __update_cpu_load(this_rq, 0, pending_updates);
573         }
574         raw_spin_unlock(&this_rq->lock);
575 }
576 #endif /* CONFIG_NO_HZ */
577
578 /*
579  * Called from scheduler_tick()
580  */
581 void update_cpu_load_active(struct rq *this_rq)
582 {
583         unsigned long load = get_rq_runnable_load(this_rq);
584         /*
585          * See the mess around update_idle_cpu_load() / update_cpu_load_nohz().
586          */
587         this_rq->last_load_update_tick = jiffies;
588         __update_cpu_load(this_rq, load, 1);
589
590         calc_load_account_active(this_rq);
591 }