54fbdfb2d86c4cc24baa5c41fa6ae68cf58ec13a
[muen/linux.git] / kernel / sched / loadavg.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2 /*
3  * kernel/sched/loadavg.c
4  *
5  * This file contains the magic bits required to compute the global loadavg
6  * figure. Its a silly number but people think its important. We go through
7  * great pains to make it work on big machines and tickless kernels.
8  */
9 #include "sched.h"
10
11 /*
12  * Global load-average calculations
13  *
14  * We take a distributed and async approach to calculating the global load-avg
15  * in order to minimize overhead.
16  *
17  * The global load average is an exponentially decaying average of nr_running +
18  * nr_uninterruptible.
19  *
20  * Once every LOAD_FREQ:
21  *
22  *   nr_active = 0;
23  *   for_each_possible_cpu(cpu)
24  *      nr_active += cpu_of(cpu)->nr_running + cpu_of(cpu)->nr_uninterruptible;
25  *
26  *   avenrun[n] = avenrun[0] * exp_n + nr_active * (1 - exp_n)
27  *
28  * Due to a number of reasons the above turns in the mess below:
29  *
30  *  - for_each_possible_cpu() is prohibitively expensive on machines with
31  *    serious number of CPUs, therefore we need to take a distributed approach
32  *    to calculating nr_active.
33  *
34  *        \Sum_i x_i(t) = \Sum_i x_i(t) - x_i(t_0) | x_i(t_0) := 0
35  *                      = \Sum_i { \Sum_j=1 x_i(t_j) - x_i(t_j-1) }
36  *
37  *    So assuming nr_active := 0 when we start out -- true per definition, we
38  *    can simply take per-CPU deltas and fold those into a global accumulate
39  *    to obtain the same result. See calc_load_fold_active().
40  *
41  *    Furthermore, in order to avoid synchronizing all per-CPU delta folding
42  *    across the machine, we assume 10 ticks is sufficient time for every
43  *    CPU to have completed this task.
44  *
45  *    This places an upper-bound on the IRQ-off latency of the machine. Then
46  *    again, being late doesn't loose the delta, just wrecks the sample.
47  *
48  *  - cpu_rq()->nr_uninterruptible isn't accurately tracked per-CPU because
49  *    this would add another cross-CPU cacheline miss and atomic operation
50  *    to the wakeup path. Instead we increment on whatever CPU the task ran
51  *    when it went into uninterruptible state and decrement on whatever CPU
52  *    did the wakeup. This means that only the sum of nr_uninterruptible over
53  *    all CPUs yields the correct result.
54  *
55  *  This covers the NO_HZ=n code, for extra head-aches, see the comment below.
56  */
57
58 /* Variables and functions for calc_load */
59 atomic_long_t calc_load_tasks;
60 unsigned long calc_load_update;
61 unsigned long avenrun[3];
62 EXPORT_SYMBOL(avenrun); /* should be removed */
63
64 /**
65  * get_avenrun - get the load average array
66  * @loads:      pointer to dest load array
67  * @offset:     offset to add
68  * @shift:      shift count to shift the result left
69  *
70  * These values are estimates at best, so no need for locking.
71  */
72 void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift)
73 {
74         loads[0] = (avenrun[0] + offset) << shift;
75         loads[1] = (avenrun[1] + offset) << shift;
76         loads[2] = (avenrun[2] + offset) << shift;
77 }
78
79 long calc_load_fold_active(struct rq *this_rq, long adjust)
80 {
81         long nr_active, delta = 0;
82
83         nr_active = this_rq->nr_running - adjust;
84         nr_active += (long)this_rq->nr_uninterruptible;
85
86         if (nr_active != this_rq->calc_load_active) {
87                 delta = nr_active - this_rq->calc_load_active;
88                 this_rq->calc_load_active = nr_active;
89         }
90
91         return delta;
92 }
93
94 #ifdef CONFIG_NO_HZ_COMMON
95 /*
96  * Handle NO_HZ for the global load-average.
97  *
98  * Since the above described distributed algorithm to compute the global
99  * load-average relies on per-CPU sampling from the tick, it is affected by
100  * NO_HZ.
101  *
102  * The basic idea is to fold the nr_active delta into a global NO_HZ-delta upon
103  * entering NO_HZ state such that we can include this as an 'extra' CPU delta
104  * when we read the global state.
105  *
106  * Obviously reality has to ruin such a delightfully simple scheme:
107  *
108  *  - When we go NO_HZ idle during the window, we can negate our sample
109  *    contribution, causing under-accounting.
110  *
111  *    We avoid this by keeping two NO_HZ-delta counters and flipping them
112  *    when the window starts, thus separating old and new NO_HZ load.
113  *
114  *    The only trick is the slight shift in index flip for read vs write.
115  *
116  *        0s            5s            10s           15s
117  *          +10           +10           +10           +10
118  *        |-|-----------|-|-----------|-|-----------|-|
119  *    r:0 0 1           1 0           0 1           1 0
120  *    w:0 1 1           0 0           1 1           0 0
121  *
122  *    This ensures we'll fold the old NO_HZ contribution in this window while
123  *    accumlating the new one.
124  *
125  *  - When we wake up from NO_HZ during the window, we push up our
126  *    contribution, since we effectively move our sample point to a known
127  *    busy state.
128  *
129  *    This is solved by pushing the window forward, and thus skipping the
130  *    sample, for this CPU (effectively using the NO_HZ-delta for this CPU which
131  *    was in effect at the time the window opened). This also solves the issue
132  *    of having to deal with a CPU having been in NO_HZ for multiple LOAD_FREQ
133  *    intervals.
134  *
135  * When making the ILB scale, we should try to pull this in as well.
136  */
137 static atomic_long_t calc_load_nohz[2];
138 static int calc_load_idx;
139
140 static inline int calc_load_write_idx(void)
141 {
142         int idx = calc_load_idx;
143
144         /*
145          * See calc_global_nohz(), if we observe the new index, we also
146          * need to observe the new update time.
147          */
148         smp_rmb();
149
150         /*
151          * If the folding window started, make sure we start writing in the
152          * next NO_HZ-delta.
153          */
154         if (!time_before(jiffies, READ_ONCE(calc_load_update)))
155                 idx++;
156
157         return idx & 1;
158 }
159
160 static inline int calc_load_read_idx(void)
161 {
162         return calc_load_idx & 1;
163 }
164
165 void calc_load_nohz_start(void)
166 {
167         struct rq *this_rq = this_rq();
168         long delta;
169
170         /*
171          * We're going into NO_HZ mode, if there's any pending delta, fold it
172          * into the pending NO_HZ delta.
173          */
174         delta = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
175         if (delta) {
176                 int idx = calc_load_write_idx();
177
178                 atomic_long_add(delta, &calc_load_nohz[idx]);
179         }
180 }
181
182 void calc_load_nohz_stop(void)
183 {
184         struct rq *this_rq = this_rq();
185
186         /*
187          * If we're still before the pending sample window, we're done.
188          */
189         this_rq->calc_load_update = READ_ONCE(calc_load_update);
190         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
191                 return;
192
193         /*
194          * We woke inside or after the sample window, this means we're already
195          * accounted through the nohz accounting, so skip the entire deal and
196          * sync up for the next window.
197          */
198         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update + 10))
199                 this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
200 }
201
202 static long calc_load_nohz_fold(void)
203 {
204         int idx = calc_load_read_idx();
205         long delta = 0;
206
207         if (atomic_long_read(&calc_load_nohz[idx]))
208                 delta = atomic_long_xchg(&calc_load_nohz[idx], 0);
209
210         return delta;
211 }
212
213 /**
214  * fixed_power_int - compute: x^n, in O(log n) time
215  *
216  * @x:         base of the power
217  * @frac_bits: fractional bits of @x
218  * @n:         power to raise @x to.
219  *
220  * By exploiting the relation between the definition of the natural power
221  * function: x^n := x*x*...*x (x multiplied by itself for n times), and
222  * the binary encoding of numbers used by computers: n := \Sum n_i * 2^i,
223  * (where: n_i \elem {0, 1}, the binary vector representing n),
224  * we find: x^n := x^(\Sum n_i * 2^i) := \Prod x^(n_i * 2^i), which is
225  * of course trivially computable in O(log_2 n), the length of our binary
226  * vector.
227  */
228 static unsigned long
229 fixed_power_int(unsigned long x, unsigned int frac_bits, unsigned int n)
230 {
231         unsigned long result = 1UL << frac_bits;
232
233         if (n) {
234                 for (;;) {
235                         if (n & 1) {
236                                 result *= x;
237                                 result += 1UL << (frac_bits - 1);
238                                 result >>= frac_bits;
239                         }
240                         n >>= 1;
241                         if (!n)
242                                 break;
243                         x *= x;
244                         x += 1UL << (frac_bits - 1);
245                         x >>= frac_bits;
246                 }
247         }
248
249         return result;
250 }
251
252 /*
253  * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
254  *
255  * a2 = a1 * e + a * (1 - e)
256  *    = (a0 * e + a * (1 - e)) * e + a * (1 - e)
257  *    = a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)
258  *
259  * a3 = a2 * e + a * (1 - e)
260  *    = (a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)) * e + a * (1 - e)
261  *    = a0 * e^3 + a * (1 - e) * (1 + e + e^2)
262  *
263  *  ...
264  *
265  * an = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 + e + ... + e^n-1) [1]
266  *    = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 - e^n)/(1 - e)
267  *    = a0 * e^n + a * (1 - e^n)
268  *
269  * [1] application of the geometric series:
270  *
271  *              n         1 - x^(n+1)
272  *     S_n := \Sum x^i = -------------
273  *             i=0          1 - x
274  */
275 static unsigned long
276 calc_load_n(unsigned long load, unsigned long exp,
277             unsigned long active, unsigned int n)
278 {
279         return calc_load(load, fixed_power_int(exp, FSHIFT, n), active);
280 }
281
282 /*
283  * NO_HZ can leave us missing all per-CPU ticks calling
284  * calc_load_fold_active(), but since a NO_HZ CPU folds its delta into
285  * calc_load_nohz per calc_load_nohz_start(), all we need to do is fold
286  * in the pending NO_HZ delta if our NO_HZ period crossed a load cycle boundary.
287  *
288  * Once we've updated the global active value, we need to apply the exponential
289  * weights adjusted to the number of cycles missed.
290  */
291 static void calc_global_nohz(void)
292 {
293         unsigned long sample_window;
294         long delta, active, n;
295
296         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
297         if (!time_before(jiffies, sample_window + 10)) {
298                 /*
299                  * Catch-up, fold however many we are behind still
300                  */
301                 delta = jiffies - sample_window - 10;
302                 n = 1 + (delta / LOAD_FREQ);
303
304                 active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
305                 active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
306
307                 avenrun[0] = calc_load_n(avenrun[0], EXP_1, active, n);
308                 avenrun[1] = calc_load_n(avenrun[1], EXP_5, active, n);
309                 avenrun[2] = calc_load_n(avenrun[2], EXP_15, active, n);
310
311                 WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + n * LOAD_FREQ);
312         }
313
314         /*
315          * Flip the NO_HZ index...
316          *
317          * Make sure we first write the new time then flip the index, so that
318          * calc_load_write_idx() will see the new time when it reads the new
319          * index, this avoids a double flip messing things up.
320          */
321         smp_wmb();
322         calc_load_idx++;
323 }
324 #else /* !CONFIG_NO_HZ_COMMON */
325
326 static inline long calc_load_nohz_fold(void) { return 0; }
327 static inline void calc_global_nohz(void) { }
328
329 #endif /* CONFIG_NO_HZ_COMMON */
330
331 /*
332  * calc_load - update the avenrun load estimates 10 ticks after the
333  * CPUs have updated calc_load_tasks.
334  *
335  * Called from the global timer code.
336  */
337 void calc_global_load(unsigned long ticks)
338 {
339         unsigned long sample_window;
340         long active, delta;
341
342         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
343         if (time_before(jiffies, sample_window + 10))
344                 return;
345
346         /*
347          * Fold the 'old' NO_HZ-delta to include all NO_HZ CPUs.
348          */
349         delta = calc_load_nohz_fold();
350         if (delta)
351                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
352
353         active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
354         active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
355
356         avenrun[0] = calc_load(avenrun[0], EXP_1, active);
357         avenrun[1] = calc_load(avenrun[1], EXP_5, active);
358         avenrun[2] = calc_load(avenrun[2], EXP_15, active);
359
360         WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + LOAD_FREQ);
361
362         /*
363          * In case we went to NO_HZ for multiple LOAD_FREQ intervals
364          * catch up in bulk.
365          */
366         calc_global_nohz();
367 }
368
369 /*
370  * Called from scheduler_tick() to periodically update this CPU's
371  * active count.
372  */
373 void calc_global_load_tick(struct rq *this_rq)
374 {
375         long delta;
376
377         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
378                 return;
379
380         delta  = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
381         if (delta)
382                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
383
384         this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
385 }