Lo Scheduling Real Time in Linux. Universita degli studi di Roma La Sapienza Ivan Gualandri Matricola Relatore: Giorgio Richelli

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1 Lo Scheduling Real Time in Linux Universita degli studi di Roma La Sapienza Ivan Gualandri Matricola Relatore: Giorgio Richelli

2 Scopo Motivazione Obiettivi 1) Lo scopo di questo progetto è presentare il sistema operativo Linux sotto una nuova veste: quella di RTOS (Real Time Operating System) 2)La motivazione è principalmente di voler approfondire le mie conoscenze del kernel linux e dei sistemi operativi Real Time 3)L'obiettivo è capire come linux gestisce i processi Real Time e analizzarne il comportamento mediante anche l'ausilio di alcuni test.

3 Introduzione Un processo è un istanza di un programma, che consiste di uno o piu threads. Lo scheduler dei processi/thread assegna porzioni di tempo CPU ad ogni processo, consentendo così di mantenere più programmi in esecuzione. Uno scheduler RealTime invece si occupa del garantire ai processi detti Real Time di rispettare le loro scadenze, dando loro la massima priorità.

4 Linux Linux è il sistema operativo che abbiamo preso in considerazione per I nostri test. Ad oggi linux ancora non è un OS Real Time!! Ma lo diventa applicando al kernel l'apposita patch creata da Ingo Molnar (uno degli uomini chiave nello scheduling di Linux soprattutto nella versione 2.6) In un prossimo futuro, la patch verrà inserita nel kernel principale.

5 Lo Scheduling in Linux (non RT) Dalla versione 2.4 del kernel ad oggi si sono susseguiti 3 tipi di scheduler che vedremo nelle prossime slides. Il primo è durato per tutta la versione 2.4 Dalla versione alla invece si è utilizzato lo scheduler cosidetto O(1). Dalla ad oggi invece si usa uno scheduler chiamato CFS

6 2.4 Scheduler Suddivideva il tempo in epoche All'inizio di ogni epoca veniva assegnato un quanto di tempo per ogni processo. Ogni volta che un processo veniva eseguito, il suo quanto di tempo veniva decrementato Se tutti i processi eseguibili avevano terminato il loro quanto di tempo iniziava una nuova epoca. Venivano ricalcolati i quanti di tempo e sommati agli eventuali residui dell'epoca precedente

7 O(1) Scheduler Cerca di trovare il prossimo task da eseguire in tempo costante. Utilizza 2 code per i processi: Active ed Expired. Il prossimo processo da eseguire viene preso dalla coda degli Active Quando un task esaurisce il suo quanto viene messo nella coda Expired e contemporanemente viene ricalcolato il nuovo quanto. Se non ci sono piu processi eseguibili nella Active, le 2 code vengono scambiate.

8 CFS Scheduling Utilizza una struttura dati detta albero Rosso Nero. Questi alberi sono particolari alberi di ricerca binaria, che sono sempre bilanciati.i task sono I nodi dell'albero. Il tempo speso sulla CPU (vruntime) è il parametro secondo il quale viene ordinato l'albero. Quando un processo è in esecuzione questo valore viene incrementato, e ogni volta si controlla se va riposizionato nell'albero. Il prossimo task ad essere eseguito è sempre la foglia piu a sinistra dell'albero, che sarà quella con il vruntime minimo.

9 Priorità Linux suddivide le priorità dei processi in 140 livelli. I livelli da 100 a 139 riguardano i processi normali (100 livello piu alto) Mentri quelli da 0 a 99 riguardano le priorità real Time. Per rispettare gli standard posix, le priorità Real Time visibili all'utente sono 1 la piu bassa e 99 la piu alta.

10 Classi di scheduling Esistono 3 classi di scheduling: SCHED_OTHER (o SCHED_NORMAL) si occupa della schedulazione di processi non-rt, quindi per I livelli di priorità da 100 a 139 SCHED_FIFO è una coda First In First Out, senza prerilascio. Il processo resta sulla CPU fino a che non termina, o un processo di priorità piu alta viene lanciato. Utilizzata dai processi RealTime per le priorità da 0 a 99. SCHED_RR è una coda Round Robin, simile alla SCHED_FIFO, ma I processi questa volta vengono prerilasciati. La priorità così come il tipo di scheduler possono essere settati dal programmatore mediante apposite chiamate di sistema

11 Scheduling RealTime (1) Linux diventa RealTime applicando l'apposita patch La patch va applicata ai sorgenti del kernel prima della compilazione. Aggiunge l'opzione: Complete Preemption In presenza di task real-time, fino a che ce ne sono il 95% del tempo CPU viene dedicato a questi, il restante 5% si lascia comunque ai task non real time.

12 Scheduling RealTime (2) La patch introduce: Rende il kernel prerilasciabile Le sezioni critiche protette da spinlock_t, rwlock_t sono ora rilasciabili, mediante l'utilizzo delle rtmutex. Se si vuole una sezione critica non prerilasciabile si utilizzera la raw_spinlock_t I gestori degli interrupt sono diventati thread del kernel.

13 Scheduling RealTime (3) Ogni CPU ha la sua coda di task RT Nella struttura dati della coda RT, il flag overloaded indica la presenza di uno o piu task RT che possono esser spostati su un altra coda. La patch, per il bilanciamento dei task RT sulle varie cpu adotta una strategia detta di Push & Pull. Essa si occupa di: 1) Dove mettere un task quando questo si sveglia (tale fase è detta di prebilanciamento). 2) Cosa fare se un task di priorità piu bassa si sveglia su una coda che ne sta eseguendo uno di priorità piu alta. 3) Cosa fare con un task a priorità piu bassa se sulla sua coda se ne sveglia uno con priorità piu alta e lo prerilascia. 4) Cosa fare se un task abbassa la sua priorità facendo si che un altro task superi la sua priorità.

14 Algoritmo Push Si occupa dei casi 2 e 3 della slide precedente Questa funzione nelle CPU con più di un processo RT, cerca il processo con priorità più alta pronto per l'esecuzione sulla coda, e poi controlla sulle altre CPU per vedere se ne è disponibile una che possa eseguirlo. Ovvero cerca una CPU ove il processo correntemente in esecuzione ha priorità più bassa rispetto a quello che si vuole spostare, e che quindi può essere prerilasciato

15 Algoritmo Pull Si occupa del caso 4. Esso invece controlla tutte le code che hanno il flag overloaded settato. E cerca se ci sono task realtime che possono essere eseguiti in una delle code destinazione per quel processo. Controllando che la priorità del task preso in considerazione da Pull sia piu alta di quello che verrebbe altrimenti schedulato dalla coda di destinazione Questa operazione termina dopo aver controllato tutte le code.

16 Performance Test (1) Quello che si vuole misurare è come varia la latenza del kernel in presenza di processi RT. Per latenza si intende il tempo che il processo passa in attesa della CPU (dal momento in cui viene creato). Ci aspettiamo che i task Real Time risentano di minor latenza rispetto ai processi normali. I livelli di priorita testati vanno da 1 a 139, con un intervallo di 10 fra un livello e l'altro. Il programma utilizzato è un semplice ciclo da 1 a 1'000'000'000 ripetuto per un numero di volte stabilito dall'utente (cio che è stato chiamato Carico di Lavoro ).

17 Performance Test (2) Strumenti Usati: 1) Testing: Questo programma prende in input la priorità del processo e il numero n di volte che la funzione principale (do_work) viene ripetuta. Questa funzione esegue un ciclo che conta da 1 a 1 miliardo 2) Schedstat: E' una feature di statistiche dello scheduler linux abilitata in fase di compilazione. Per ogni processo salva in /proc/<pid> un file chiamato schedstat con le seguenti informazioni: runtime latenza numeroprocessi 3) I valori di schedstat che ci interessano son il primo e il secondo Il computer utilizzato è un IBM System x3200 M2 con processore intel Xeon 3300 Dual Core.

18 Performance Test (3) Sono state eseguite 3 tipologie di test: Lancio di un task RT per un sottoinsieme di livelli di priorità, con carichi di lavoro diversi (da 1 a 5). Lancio di 2 task RT concorrenti con modalità simili alla precedente Vengono lanciati circa 140 task concorrenti, che coprono diversi livelli di priorità e con carichi di lavoro differenti. I test sono stati effettuati sia per SCHED_FIFO che per SCHED_RR.

19 Performance Test (4) Il grafico mostra il runtime del processo senza latenze Il tempo speso dal processo sulla CPU si dispone su 5 linee orizzontali, ogni linea è relativa al numero di volte che la funzione do_work viene chiamata Tale numero va da 1 a 5

20 Performance Test (5) Le priorita in ambito Real Time sono 1 la piu bassa 99 la piu alta. Fra 60 e 90 si ha il minimo di latenza, in quanto si ha la priorita RT piu alta. Il kernel ha molti componenti come thread RT di priorita intorno a 50. Quindi la latenza dei task sotto priorita 50 è maggiore per la presenza dei task del kernel.

21 Performance Test (6) In alto a destra un particolare dell'area intorno alla priorità 50. Il grafico mostra le latenze relative a 2 task contemporanei Notiamo una maggiore stabilita dei task RT I task non RT risentono molto in tempi di latenza (vedere picco verso 120).

22 Performance Test (7) Ricordiamo: 1 = Priorità minima 99 = Priorità massima Vengono lanciati oltre 140 task (RT e non) contemporaneamente Vediamo che i task Real Time sono quelli con la minor latenza. I task con priorità > 100 sono quelli piu penalizzati. Comunque non si riescono a rispettare tutte le scadenze dei task RT, benchè questi soffrano di latenze minori.

23 Conclusioni La patch RT di linux rende il sistema operativo effettivamente RealTime. Il sistema operativo riesce a garantire le scadenze se il numero di processi RealTime in esecuzione è minore o uguale del numero di processori disponibili. Le prestazioni di SCHED_FIFO e SCHED_RR sono molto vicine fra loro. Il CFS, in condizioni normali mantiene prestazioni su livelli accettabili

24 Fine So long, and thanks for all the fish... :) Douglas Adams The HitchHicker's Guide to the galaxy

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