分析Linux內核調度器源碼之初始化

void __init sched_init(void)
{
    unsigned long ptr = 0;
    int i;
 
    /*
     * 初始化全局默認的rt和dl的CPU帶寬控制數據結構
     *
     * 這裡的rt_bandwidth和dl_bandwidth是用來控制全局的DL和RT的使用帶寬，防止實時進程
     * CPU使用過多，從而導致普通的CFS進程出現饑餓的情況
     */
    init_rt_bandwidth(&def_rt_bandwidth, global_rt_period(), global_rt_runtime());
    init_dl_bandwidth(&def_dl_bandwidth, global_rt_period(), global_rt_runtime());
 
#ifdef CONFIG_SMP
    /*
     * 初始化默認的根域
     *
     * 根域是dl/rt等實時進程做全局均衡的重要數據結構，以rt為例
     * root_domain->cpupri 是這個根域范圍內每個CPU上運行的RT任務的最高優先級，以及
     * 各個優先級任務在CPU上的分佈情況，通過cpupri的數據，那麼在rt enqueue/dequeue
     * 的時候，rt調度器就可以根據這個rt任務分佈情況來保證高優先級的任務得到優先
     * 運行
     */
    init_defrootdomain();
#endif
 
#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
    /*
     * 如果內核支持rt組調度(RT_GROUP_SCHED), 那麼對RT任務的帶寬控制將可以用cgroup
     * 的粒度來控制每個group裡rt任務的CPU帶寬使用情況
     *
     * RT_GROUP_SCHED可以讓rt任務以cpu cgroup的形式來整體控制帶寬
     * 這樣可以為RT帶寬控制帶來更大的靈活性(沒有RT_GROUP_SCHED的時候，隻能控制RT的全局
     * 帶寬使用，不能通過指定group的形式控制部分RT進程帶寬)
     */
    init_rt_bandwidth(&root_task_group.rt_bandwidth,
            global_rt_period(), global_rt_runtime());
#endif /* CONFIG_RT_GROUP_SCHED */
 
    /* 為每個CPU初始化它的運行隊列 */
    for_each_possible_cpu(i) {
        struct rq *rq;
 
        rq = cpu_rq(i);
        raw_spin_lock_init(&rq->lock);
        /*
         * 初始化rq上cfs/rt/dl的運行隊列
         * 每個調度類型在rq上都有各自的運行隊列，每個調度類都是各自管理自己的進程
         * 在pick_next_task()的時候，內核根據調度類優先級的順序，從高到底選擇任務
         * 這樣就保證瞭高優先級調度類任務會優先得到運行
         *
         * stop和idle是特殊的調度類型，是為專門的目的而設計的調度類，並不允許用戶
         * 創建相應類型的進程，所以內核也沒有在rq裡設計對應的運行隊列
         */
        init_cfs_rq(&rq->cfs);
        init_rt_rq(&rq->rt);
        init_dl_rq(&rq->dl);
#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
        /*
         * CFS的組調度(group_sched)，可以通過cpu cgroup來對CFS進行進行控制
         * 可以通過cpu.shares來提供group之間的CPU比例控制(讓不同的cgroup按照對應
         * 的比例來分享CPU)，也可以通過cpu.cfs_quota_us來進行配額設定(與RT的
         * 帶寬控制類似)。CFS group_sched帶寬控制是容器實現的基礎底層技術之一
         *
         * root_task_group 是默認的根task_group，其他的cpu cgroup都會以它做為
         * parent或者ancestor。這裡的初始化將root_task_group與rq的cfs運行隊列
         * 關聯起來，這裡做的很有意思，直接將root_task_group->cfs_rq[cpu] = &rq->cfs
         * 這樣在cpu cgroup根下的進程或者cgroup tg的sched_entity會直接加入到rq->cfs
         * 隊列裡，可以減少一層查找開銷。
         */
        root_task_group.shares = ROOT_TASK_GROUP_LOAD;
        INIT_LIST_HEAD(&rq->leaf_cfs_rq_list);
        rq->tmp_alone_branch = &rq->leaf_cfs_rq_list;
        init_cfs_bandwidth(&root_task_group.cfs_bandwidth);
        init_tg_cfs_entry(&root_task_group, &rq->cfs, NULL, i, NULL);
#endif /* CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED */
 
        rq->rt.rt_runtime = def_rt_bandwidth.rt_runtime;
#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
        /* 初始化rq上的rt運行隊列，與上面的CFS的組調度初始化類似 */
        init_tg_rt_entry(&root_task_group, &rq->rt, NULL, i, NULL);
#endif
 
#ifdef CONFIG_SMP
        /*
         * 這裡將rq與默認的def_root_domain進行關聯，如果是SMP系統，那麼後面
         * 在sched_init_smp的時候，內核會創建新的root_domain，然後替換這裡
         * def_root_domain
         */
        rq_attach_root(rq, &def_root_domain);
#endif /* CONFIG_SMP */
    }
 
    /*
     * 註冊CFS的SCHED_SOFTIRQ軟中斷服務函數
     * 這個軟中斷住要是周期性負載均衡以及nohz idle load balance而準備的
     */
    init_sched_fair_class();
 
    scheduler_running = 1;
}

/*
 * Called by boot processor to activate the rest.
 *
 * 在SMP架構裡，BSP需要將其他的非boot cp全部bring up
 */
void __init smp_init(void)
{
    int num_nodes, num_cpus;
    unsigned int cpu;
 
    /* 為每個CPU創建其idle thread */
    idle_threads_init();
    /* 向內核註冊cpuhp線程 */
    cpuhp_threads_init();
 
    pr_info("Bringing up secondary CPUs ...\n");
 
    /*
     * FIXME: This should be done in userspace --RR
     *
     * 如果CPU沒有online，則用cpu_up將其bring up
     */
    for_each_present_cpu(cpu) {
        if (num_online_cpus() >= setup_max_cpus)
            break;
        if (!cpu_online(cpu))
            cpu_up(cpu);
    }
     
    .............
}

/*
 * Topology list, bottom-up.
 *
 * Linux默認的物理拓撲結構
 *
 * 這裡隻有三級物理拓撲結構，NUMA域是在sched_init_numa()自動檢測的
 * 如果存在NUMA域，則會添加對應的NUMA調度域
 *
 * 註：這裡默認的 default_topology 調度域可能會存在一些問題，例如
 * 有的平臺不存在DIE域(intel平臺)，那麼就可能出現LLC與DIE域重疊的情況
 * 所以內核會在調度域建立好後，在cpu_attach_domain()裡掃描所有調度
 * 如果存在調度重疊的情況，則會destroy_sched_domain對應的重疊調度域
 */
static struct sched_domain_topology_level default_topology[] = {
#ifdef CONFIG_SCHED_SMT
    { cpu_smt_mask, cpu_smt_flags, SD_INIT_NAME(SMT) },
#endif
#ifdef CONFIG_SCHED_MC
    { cpu_coregroup_mask, cpu_core_flags, SD_INIT_NAME(MC) },
#endif
    { cpu_cpu_mask, SD_INIT_NAME(DIE) },
    { NULL, },
};

/*
 * NUMA調度域初始化(根據硬件信息創建新的sched_domain_topology物理拓撲結構)
 *
 * 內核在默認情況下並不會主動添加NUMA topology，需要根據配置(如果開啟瞭NUMA)
 * 如果開啟瞭NUMA，這裡就要根據硬件拓撲信息來判斷是否需要添加
 * sched_domain_topology_level 域(隻有添加瞭這個域之後，內核才會在後面初始化
 * sched_domain的時候創建NUMA DOMAIN)
 */
void sched_init_numa(void)
{
    ...................
    /*
     * 這裡會根據distance檢查是否存在NUMA域(甚至存在多級NUMA域)，然後根據
     * 情況將其更新到物理拓撲結構裡。後面的建立調度域的時候，就會這個新的
     * 物理拓撲結構來建立新的調度域
     */
    for (j = 1; j < level; i++, j++) {
        tl[i] = (struct sched_domain_topology_level){
            .mask = sd_numa_mask,
            .sd_flags = cpu_numa_flags,
            .flags = SDTL_OVERLAP,
            .numa_level = j,
            SD_INIT_NAME(NUMA)
        };
    }
 
    sched_domain_topology = tl;
 
    sched_domains_numa_levels = level;
    sched_max_numa_distance = sched_domains_numa_distance[level - 1];
 
    init_numa_topology_type();
}

/*
 * Set up scheduler domains and groups.  For now this just excludes isolated
 * CPUs, but could be used to exclude other special cases in the future.
 */
int sched_init_domains(const struct cpumask *cpu_map)
{
    int err;
 
    zalloc_cpumask_var(&sched_domains_tmpmask, GFP_KERNEL);
    zalloc_cpumask_var(&sched_domains_tmpmask2, GFP_KERNEL);
    zalloc_cpumask_var(&fallback_doms, GFP_KERNEL);
 
    arch_update_cpu_topology();
    ndoms_cur = 1;
    doms_cur = alloc_sched_domains(ndoms_cur);
    if (!doms_cur)
        doms_cur = &fallback_doms;
    /*
     * doms_cur[0] 表示調度域需要覆蓋的cpumask
     *
     * 如果系統裡用isolcpus=對某些CPU進行瞭隔離，那麼這些CPU是不會加入到調度
     * 域裡面，即這些CPU不會參於到負載均衡(這裡的負載均衡包括DL/RT以及CFS)。
     * 這裡用 cpu_map & housekeeping_cpumask(HK_FLAG_DOMAIN) 的方式將isolate
     * cpu去除掉，從而在保證建立的調度域裡不包含isolate cpu
     */
    cpumask_and(doms_cur[0], cpu_map, housekeeping_cpumask(HK_FLAG_DOMAIN));
    /* 調度域建立的實現函數 */
    err = build_sched_domains(doms_cur[0], NULL);
    register_sched_domain_sysctl();
 
    return err;
}

/*
 * Build sched domains for a given set of CPUs and attach the sched domains
 * to the individual CPUs
 */
static int
build_sched_domains(const struct cpumask *cpu_map, struct sched_domain_attr *attr)
{
    enum s_alloc alloc_state = sa_none;
    struct sched_domain *sd;
    struct s_data d;
    struct rq *rq = NULL;
    int i, ret = -ENOMEM;
    struct sched_domain_topology_level *tl_asym;
    bool has_asym = false;
 
    if (WARN_ON(cpumask_empty(cpu_map)))
        goto error;
 
    /*
     * Linux裡的絕大部分進程都為CFS調度類，所以CFS裡的sched_domain將會被頻繁
     * 的訪問與修改(例如nohz_idle以及sched_domain裡的各種統計)，所以sched_domain
     * 的設計需要優先考慮到效率問題，於是內核采用瞭percpu的方式來實現sched_domain
     * CPU間的每級sd都是獨立申請的percpu變量，這樣可以利用percpu的特性解決它們
     * 間的並發競爭問題(1、不需要鎖保護 2、沒有cachline偽共享)
     */
    alloc_state = __visit_domain_allocation_hell(&d, cpu_map);
    if (alloc_state != sa_rootdomain)
        goto error;
 
    tl_asym = asym_cpu_capacity_level(cpu_map);
 
    /*
     * Set up domains for CPUs specified by the cpu_map:
     *
     * 這裡會遍歷cpu_map裡所有CPU，為這些CPU創建與物理拓撲結構對應(
     * for_each_sd_topology)的多級調度域。
     *
     * 在調度域建立的時候，會通過tl->mask(cpu)獲得cpu在該級調度域對應
     * 的span(即cpu與其他對應的cpu組成瞭這個調度域)，在同一個調度域裡
     * 的CPU對應的sd在剛開始的時候會被初始化成一樣的(包括sd->pan、
     * sd->imbalance_pct以及sd->flags等參數)。
     */
    for_each_cpu(i, cpu_map) {
        struct sched_domain_topology_level *tl;
 
        sd = NULL;
        for_each_sd_topology(tl) {
            int dflags = 0;
 
            if (tl == tl_asym) {
                dflags |= SD_ASYM_CPUCAPACITY;
                has_asym = true;
            }
 
            sd = build_sched_domain(tl, cpu_map, attr, sd, dflags, i);
 
            if (tl == sched_domain_topology)
                *per_cpu_ptr(d.sd, i) = sd;
            if (tl->flags & SDTL_OVERLAP)
                sd->flags |= SD_OVERLAP;
            if (cpumask_equal(cpu_map, sched_domain_span(sd)))
                break;
        }
    }
 
    /*
     * Build the groups for the domains
     *
     * 創建調度組
     *
     * 我們可以從2個調度域的實現看到sched_group的作用
     * 1、NUMA域 2、LLC域
     *
     * numa sched_domain->span會包含NUMA域上所有的CPU，當需要進行均衡的時候
     * NUMA域不應該以cpu為單位，而是應該以socket為單位，即隻有socket1與socket2
     * 極度不平衡的時候才在這兩個SOCKET間遷移CPU。如果用sched_domain來實現這個
     * 抽象則會導致靈活性不夠(後面的MC域可以看到)，所以內核會以sched_group來
     * 表示一個cpu集合，每個socket屬於一個sched_group。當這兩個sched_group不平衡
     * 的時候才會允許遷移
     *
     * MC域也是類似的，CPU可能是超線程，而超線程的性能與物理核不是對等的。一對
     * 超線程大概等於1.2倍於物理核的性能。所以在調度的時候，我們需要考慮超線程
     * 對之間的均衡性，即先要滿足CPU間均衡，然後才是CPU內的超線程均衡。這個時候
     * 用sched_group來做抽象，一個sched_group表示一個物理CPU(2個超線程)，這個時候
     * LLC保證CPU間的均衡，從而避免一種極端情況：超線程間均衡，但是物理核上不均衡
     * 的情況，同時可以保證調度選核的時候，內核會優先實現物理線程，隻有物理線程
     * 用完之後再考慮使用另外的超線程，讓系統可以更充分的利用CPU算力
     */
    for_each_cpu(i, cpu_map) {
        for (sd = *per_cpu_ptr(d.sd, i); sd; sd = sd->parent) {
            sd->span_weight = cpumask_weight(sched_domain_span(sd));
            if (sd->flags & SD_OVERLAP) {
                if (build_overlap_sched_groups(sd, i))
                    goto error;
            } else {
                if (build_sched_groups(sd, i))
                    goto error;
            }
        }
    }
 
    /*
     * Calculate CPU capacity for physical packages and nodes
     *
     * sched_group_capacity 是用來表示sg可使用的CPU算力
     *
     * sched_group_capacity 是考慮瞭每個CPU本身的算力不同(最高主頻設置不同、
     * ARM的大小核等等)、去除掉RT進程所使用的CPU(sg是為CFS準備的，所以需要
     * 去掉CPU上DL/RT進程等所使用的CPU算力)等因素之後，留給CFS sg的可用算力(因為
     * 在負載均衡的時候，不僅應該考慮到CPU上的負載，還應該考慮這個sg上的CFS
     * 可用算力。如果這個sg上進程較少，但是sched_group_capacity也較小，也是
     * 不應該遷移進程到這個sg上的)
     */
    for (i = nr_cpumask_bits-1; i >= 0; i--) {
        if (!cpumask_test_cpu(i, cpu_map))
            continue;
 
        for (sd = *per_cpu_ptr(d.sd, i); sd; sd = sd->parent) {
            claim_allocations(i, sd);
            init_sched_groups_capacity(i, sd);
        }
    }
 
    /* Attach the domains */
    rcu_read_lock();
    /*
     * 將每個CPU的rq與rd(root_domain)進行綁定，並且會檢查sd是否有重疊
     * 如果是的則需要用destroy_sched_domain()將其去掉(所以我們可以看到
     * intel的服務器是隻有3層調度域，DIE域其實與LLC域重疊瞭，所以在這裡
     * 會被去掉)
     */
    for_each_cpu(i, cpu_map) {
        rq = cpu_rq(i);
        sd = *per_cpu_ptr(d.sd, i);
 
        /* Use READ_ONCE()/WRITE_ONCE() to avoid load/store tearing: */
        if (rq->cpu_capacity_orig > READ_ONCE(d.rd->max_cpu_capacity))
            WRITE_ONCE(d.rd->max_cpu_capacity, rq->cpu_capacity_orig);
 
        cpu_attach_domain(sd, d.rd, i);
    }
    rcu_read_unlock();
 
    if (has_asym)
        static_branch_inc_cpuslocked(&sched_asym_cpucapacity);
 
    if (rq && sched_debug_enabled) {
        pr_info("root domain span: %*pbl (max cpu_capacity = %lu)\n",
            cpumask_pr_args(cpu_map), rq->rd->max_cpu_capacity);
    }
 
    ret = 0;
error:
    __free_domain_allocs(&d, alloc_state, cpu_map);
 
    return ret;
}