Add the rt linux 4.1.3-rt3 as base
[kvmfornfv.git] / kernel / Documentation / scheduler / sched-deadline.txt
1                           Deadline Task Scheduling
2                           ------------------------
3
4 CONTENTS
5 ========
6
7  0. WARNING
8  1. Overview
9  2. Scheduling algorithm
10  3. Scheduling Real-Time Tasks
11  4. Bandwidth management
12    4.1 System-wide settings
13    4.2 Task interface
14    4.3 Default behavior
15  5. Tasks CPU affinity
16    5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
17  6. Future plans
18  A. Test suite
19  B. Minimal main()
20
21
22 0. WARNING
23 ==========
24
25  Fiddling with these settings can result in an unpredictable or even unstable
26  system behavior. As for -rt (group) scheduling, it is assumed that root users
27  know what they're doing.
28
29
30 1. Overview
31 ===========
32
33  The SCHED_DEADLINE policy contained inside the sched_dl scheduling class is
34  basically an implementation of the Earliest Deadline First (EDF) scheduling
35  algorithm, augmented with a mechanism (called Constant Bandwidth Server, CBS)
36  that makes it possible to isolate the behavior of tasks between each other.
37
38
39 2. Scheduling algorithm
40 ==================
41
42  SCHED_DEADLINE uses three parameters, named "runtime", "period", and
43  "deadline", to schedule tasks. A SCHED_DEADLINE task should receive
44  "runtime" microseconds of execution time every "period" microseconds, and
45  these "runtime" microseconds are available within "deadline" microseconds
46  from the beginning of the period.  In order to implement this behaviour,
47  every time the task wakes up, the scheduler computes a "scheduling deadline"
48  consistent with the guarantee (using the CBS[2,3] algorithm). Tasks are then
49  scheduled using EDF[1] on these scheduling deadlines (the task with the
50  earliest scheduling deadline is selected for execution). Notice that the
51  task actually receives "runtime" time units within "deadline" if a proper
52  "admission control" strategy (see Section "4. Bandwidth management") is used
53  (clearly, if the system is overloaded this guarantee cannot be respected).
54
55  Summing up, the CBS[2,3] algorithms assigns scheduling deadlines to tasks so
56  that each task runs for at most its runtime every period, avoiding any
57  interference between different tasks (bandwidth isolation), while the EDF[1]
58  algorithm selects the task with the earliest scheduling deadline as the one
59  to be executed next. Thanks to this feature, tasks that do not strictly comply
60  with the "traditional" real-time task model (see Section 3) can effectively
61  use the new policy.
62
63  In more details, the CBS algorithm assigns scheduling deadlines to
64  tasks in the following way:
65
66   - Each SCHED_DEADLINE task is characterised by the "runtime",
67     "deadline", and "period" parameters;
68
69   - The state of the task is described by a "scheduling deadline", and
70     a "remaining runtime". These two parameters are initially set to 0;
71
72   - When a SCHED_DEADLINE task wakes up (becomes ready for execution),
73     the scheduler checks if
74
75                  remaining runtime                  runtime
76         ----------------------------------    >    ---------
77         scheduling deadline - current time           period
78
79     then, if the scheduling deadline is smaller than the current time, or
80     this condition is verified, the scheduling deadline and the
81     remaining runtime are re-initialised as
82
83          scheduling deadline = current time + deadline
84          remaining runtime = runtime
85
86     otherwise, the scheduling deadline and the remaining runtime are
87     left unchanged;
88
89   - When a SCHED_DEADLINE task executes for an amount of time t, its
90     remaining runtime is decreased as
91
92          remaining runtime = remaining runtime - t
93
94     (technically, the runtime is decreased at every tick, or when the
95     task is descheduled / preempted);
96
97   - When the remaining runtime becomes less or equal than 0, the task is
98     said to be "throttled" (also known as "depleted" in real-time literature)
99     and cannot be scheduled until its scheduling deadline. The "replenishment
100     time" for this task (see next item) is set to be equal to the current
101     value of the scheduling deadline;
102
103   - When the current time is equal to the replenishment time of a
104     throttled task, the scheduling deadline and the remaining runtime are
105     updated as
106
107          scheduling deadline = scheduling deadline + period
108          remaining runtime = remaining runtime + runtime
109
110
111 3. Scheduling Real-Time Tasks
112 =============================
113
114  * BIG FAT WARNING ******************************************************
115  *
116  * This section contains a (not-thorough) summary on classical deadline
117  * scheduling theory, and how it applies to SCHED_DEADLINE.
118  * The reader can "safely" skip to Section 4 if only interested in seeing
119  * how the scheduling policy can be used. Anyway, we strongly recommend
120  * to come back here and continue reading (once the urge for testing is
121  * satisfied :P) to be sure of fully understanding all technical details.
122  ************************************************************************
123
124  There are no limitations on what kind of task can exploit this new
125  scheduling discipline, even if it must be said that it is particularly
126  suited for periodic or sporadic real-time tasks that need guarantees on their
127  timing behavior, e.g., multimedia, streaming, control applications, etc.
128
129  A typical real-time task is composed of a repetition of computation phases
130  (task instances, or jobs) which are activated on a periodic or sporadic
131  fashion.
132  Each job J_j (where J_j is the j^th job of the task) is characterised by an
133  arrival time r_j (the time when the job starts), an amount of computation
134  time c_j needed to finish the job, and a job absolute deadline d_j, which
135  is the time within which the job should be finished. The maximum execution
136  time max_j{c_j} is called "Worst Case Execution Time" (WCET) for the task.
137  A real-time task can be periodic with period P if r_{j+1} = r_j + P, or
138  sporadic with minimum inter-arrival time P is r_{j+1} >= r_j + P. Finally,
139  d_j = r_j + D, where D is the task's relative deadline.
140  The utilisation of a real-time task is defined as the ratio between its
141  WCET and its period (or minimum inter-arrival time), and represents
142  the fraction of CPU time needed to execute the task.
143
144  If the total utilisation sum_i(WCET_i/P_i) is larger than M (with M equal
145  to the number of CPUs), then the scheduler is unable to respect all the
146  deadlines.
147  Note that total utilisation is defined as the sum of the utilisations
148  WCET_i/P_i over all the real-time tasks in the system. When considering
149  multiple real-time tasks, the parameters of the i-th task are indicated
150  with the "_i" suffix.
151  Moreover, if the total utilisation is larger than M, then we risk starving
152  non- real-time tasks by real-time tasks.
153  If, instead, the total utilisation is smaller than M, then non real-time
154  tasks will not be starved and the system might be able to respect all the
155  deadlines.
156  As a matter of fact, in this case it is possible to provide an upper bound
157  for tardiness (defined as the maximum between 0 and the difference
158  between the finishing time of a job and its absolute deadline).
159  More precisely, it can be proven that using a global EDF scheduler the
160  maximum tardiness of each task is smaller or equal than
161         ((M − 1) · WCET_max − WCET_min)/(M − (M − 2) · U_max) + WCET_max
162  where WCET_max = max_i{WCET_i} is the maximum WCET, WCET_min=min_i{WCET_i}
163  is the minimum WCET, and U_max = max_i{WCET_i/P_i} is the maximum utilisation.
164
165  If M=1 (uniprocessor system), or in case of partitioned scheduling (each
166  real-time task is statically assigned to one and only one CPU), it is
167  possible to formally check if all the deadlines are respected.
168  If D_i = P_i for all tasks, then EDF is able to respect all the deadlines
169  of all the tasks executing on a CPU if and only if the total utilisation
170  of the tasks running on such a CPU is smaller or equal than 1.
171  If D_i != P_i for some task, then it is possible to define the density of
172  a task as C_i/min{D_i,T_i}, and EDF is able to respect all the deadlines
173  of all the tasks running on a CPU if the sum sum_i C_i/min{D_i,T_i} of the
174  densities of the tasks running on such a CPU is smaller or equal than 1
175  (notice that this condition is only sufficient, and not necessary).
176
177  On multiprocessor systems with global EDF scheduling (non partitioned
178  systems), a sufficient test for schedulability can not be based on the
179  utilisations (it can be shown that task sets with utilisations slightly
180  larger than 1 can miss deadlines regardless of the number of CPUs M).
181  However, as previously stated, enforcing that the total utilisation is smaller
182  than M is enough to guarantee that non real-time tasks are not starved and
183  that the tardiness of real-time tasks has an upper bound.
184
185  SCHED_DEADLINE can be used to schedule real-time tasks guaranteeing that
186  the jobs' deadlines of a task are respected. In order to do this, a task
187  must be scheduled by setting:
188
189   - runtime >= WCET
190   - deadline = D
191   - period <= P
192
193  IOW, if runtime >= WCET and if period is >= P, then the scheduling deadlines
194  and the absolute deadlines (d_j) coincide, so a proper admission control
195  allows to respect the jobs' absolute deadlines for this task (this is what is
196  called "hard schedulability property" and is an extension of Lemma 1 of [2]).
197  Notice that if runtime > deadline the admission control will surely reject
198  this task, as it is not possible to respect its temporal constraints.
199
200  References:
201   1 - C. L. Liu and J. W. Layland. Scheduling algorithms for multiprogram-
202       ming in a hard-real-time environment. Journal of the Association for
203       Computing Machinery, 20(1), 1973.
204   2 - L. Abeni , G. Buttazzo. Integrating Multimedia Applications in Hard
205       Real-Time Systems. Proceedings of the 19th IEEE Real-time Systems
206       Symposium, 1998. http://retis.sssup.it/~giorgio/paps/1998/rtss98-cbs.pdf
207   3 - L. Abeni. Server Mechanisms for Multimedia Applications. ReTiS Lab
208       Technical Report. http://disi.unitn.it/~abeni/tr-98-01.pdf
209
210 4. Bandwidth management
211 =======================
212
213  As previously mentioned, in order for -deadline scheduling to be
214  effective and useful (that is, to be able to provide "runtime" time units
215  within "deadline"), it is important to have some method to keep the allocation
216  of the available fractions of CPU time to the various tasks under control.
217  This is usually called "admission control" and if it is not performed, then
218  no guarantee can be given on the actual scheduling of the -deadline tasks.
219
220  As already stated in Section 3, a necessary condition to be respected to
221  correctly schedule a set of real-time tasks is that the total utilisation
222  is smaller than M. When talking about -deadline tasks, this requires that
223  the sum of the ratio between runtime and period for all tasks is smaller
224  than M. Notice that the ratio runtime/period is equivalent to the utilisation
225  of a "traditional" real-time task, and is also often referred to as
226  "bandwidth".
227  The interface used to control the CPU bandwidth that can be allocated
228  to -deadline tasks is similar to the one already used for -rt
229  tasks with real-time group scheduling (a.k.a. RT-throttling - see
230  Documentation/scheduler/sched-rt-group.txt), and is based on readable/
231  writable control files located in procfs (for system wide settings).
232  Notice that per-group settings (controlled through cgroupfs) are still not
233  defined for -deadline tasks, because more discussion is needed in order to
234  figure out how we want to manage SCHED_DEADLINE bandwidth at the task group
235  level.
236
237  A main difference between deadline bandwidth management and RT-throttling
238  is that -deadline tasks have bandwidth on their own (while -rt ones don't!),
239  and thus we don't need a higher level throttling mechanism to enforce the
240  desired bandwidth. In other words, this means that interface parameters are
241  only used at admission control time (i.e., when the user calls
242  sched_setattr()). Scheduling is then performed considering actual tasks'
243  parameters, so that CPU bandwidth is allocated to SCHED_DEADLINE tasks
244  respecting their needs in terms of granularity. Therefore, using this simple
245  interface we can put a cap on total utilization of -deadline tasks (i.e.,
246  \Sum (runtime_i / period_i) < global_dl_utilization_cap).
247
248 4.1 System wide settings
249 ------------------------
250
251  The system wide settings are configured under the /proc virtual file system.
252
253  For now the -rt knobs are used for -deadline admission control and the
254  -deadline runtime is accounted against the -rt runtime. We realise that this
255  isn't entirely desirable; however, it is better to have a small interface for
256  now, and be able to change it easily later. The ideal situation (see 5.) is to
257  run -rt tasks from a -deadline server; in which case the -rt bandwidth is a
258  direct subset of dl_bw.
259
260  This means that, for a root_domain comprising M CPUs, -deadline tasks
261  can be created while the sum of their bandwidths stays below:
262
263    M * (sched_rt_runtime_us / sched_rt_period_us)
264
265  It is also possible to disable this bandwidth management logic, and
266  be thus free of oversubscribing the system up to any arbitrary level.
267  This is done by writing -1 in /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us.
268
269
270 4.2 Task interface
271 ------------------
272
273  Specifying a periodic/sporadic task that executes for a given amount of
274  runtime at each instance, and that is scheduled according to the urgency of
275  its own timing constraints needs, in general, a way of declaring:
276   - a (maximum/typical) instance execution time,
277   - a minimum interval between consecutive instances,
278   - a time constraint by which each instance must be completed.
279
280  Therefore:
281   * a new struct sched_attr, containing all the necessary fields is
282     provided;
283   * the new scheduling related syscalls that manipulate it, i.e.,
284     sched_setattr() and sched_getattr() are implemented.
285
286
287 4.3 Default behavior
288 ---------------------
289
290  The default value for SCHED_DEADLINE bandwidth is to have rt_runtime equal to
291  950000. With rt_period equal to 1000000, by default, it means that -deadline
292  tasks can use at most 95%, multiplied by the number of CPUs that compose the
293  root_domain, for each root_domain.
294  This means that non -deadline tasks will receive at least 5% of the CPU time,
295  and that -deadline tasks will receive their runtime with a guaranteed
296  worst-case delay respect to the "deadline" parameter. If "deadline" = "period"
297  and the cpuset mechanism is used to implement partitioned scheduling (see
298  Section 5), then this simple setting of the bandwidth management is able to
299  deterministically guarantee that -deadline tasks will receive their runtime
300  in a period.
301
302  Finally, notice that in order not to jeopardize the admission control a
303  -deadline task cannot fork.
304
305 5. Tasks CPU affinity
306 =====================
307
308  -deadline tasks cannot have an affinity mask smaller that the entire
309  root_domain they are created on. However, affinities can be specified
310  through the cpuset facility (Documentation/cgroups/cpusets.txt).
311
312 5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
313 ------------------------------------
314
315  An example of a simple configuration (pin a -deadline task to CPU0)
316  follows (rt-app is used to create a -deadline task).
317
318  mkdir /dev/cpuset
319  mount -t cgroup -o cpuset cpuset /dev/cpuset
320  cd /dev/cpuset
321  mkdir cpu0
322  echo 0 > cpu0/cpuset.cpus
323  echo 0 > cpu0/cpuset.mems
324  echo 1 > cpuset.cpu_exclusive
325  echo 0 > cpuset.sched_load_balance
326  echo 1 > cpu0/cpuset.cpu_exclusive
327  echo 1 > cpu0/cpuset.mem_exclusive
328  echo $$ > cpu0/tasks
329  rt-app -t 100000:10000:d:0 -D5 (it is now actually superfluous to specify
330  task affinity)
331
332 6. Future plans
333 ===============
334
335  Still missing:
336
337   - refinements to deadline inheritance, especially regarding the possibility
338     of retaining bandwidth isolation among non-interacting tasks. This is
339     being studied from both theoretical and practical points of view, and
340     hopefully we should be able to produce some demonstrative code soon;
341   - (c)group based bandwidth management, and maybe scheduling;
342   - access control for non-root users (and related security concerns to
343     address), which is the best way to allow unprivileged use of the mechanisms
344     and how to prevent non-root users "cheat" the system?
345
346  As already discussed, we are planning also to merge this work with the EDF
347  throttling patches [https://lkml.org/lkml/2010/2/23/239] but we still are in
348  the preliminary phases of the merge and we really seek feedback that would
349  help us decide on the direction it should take.
350
351 Appendix A. Test suite
352 ======================
353
354  The SCHED_DEADLINE policy can be easily tested using two applications that
355  are part of a wider Linux Scheduler validation suite. The suite is
356  available as a GitHub repository: https://github.com/scheduler-tools.
357
358  The first testing application is called rt-app and can be used to
359  start multiple threads with specific parameters. rt-app supports
360  SCHED_{OTHER,FIFO,RR,DEADLINE} scheduling policies and their related
361  parameters (e.g., niceness, priority, runtime/deadline/period). rt-app
362  is a valuable tool, as it can be used to synthetically recreate certain
363  workloads (maybe mimicking real use-cases) and evaluate how the scheduler
364  behaves under such workloads. In this way, results are easily reproducible.
365  rt-app is available at: https://github.com/scheduler-tools/rt-app.
366
367  Thread parameters can be specified from the command line, with something like
368  this:
369
370   # rt-app -t 100000:10000:d -t 150000:20000:f:10 -D5
371
372  The above creates 2 threads. The first one, scheduled by SCHED_DEADLINE,
373  executes for 10ms every 100ms. The second one, scheduled at SCHED_FIFO
374  priority 10, executes for 20ms every 150ms. The test will run for a total
375  of 5 seconds.
376
377  More interestingly, configurations can be described with a json file that
378  can be passed as input to rt-app with something like this:
379
380   # rt-app my_config.json
381
382  The parameters that can be specified with the second method are a superset
383  of the command line options. Please refer to rt-app documentation for more
384  details (<rt-app-sources>/doc/*.json).
385
386  The second testing application is a modification of schedtool, called
387  schedtool-dl, which can be used to setup SCHED_DEADLINE parameters for a
388  certain pid/application. schedtool-dl is available at:
389  https://github.com/scheduler-tools/schedtool-dl.git.
390
391  The usage is straightforward:
392
393   # schedtool -E -t 10000000:100000000 -e ./my_cpuhog_app
394
395  With this, my_cpuhog_app is put to run inside a SCHED_DEADLINE reservation
396  of 10ms every 100ms (note that parameters are expressed in microseconds).
397  You can also use schedtool to create a reservation for an already running
398  application, given that you know its pid:
399
400   # schedtool -E -t 10000000:100000000 my_app_pid
401
402 Appendix B. Minimal main()
403 ==========================
404
405  We provide in what follows a simple (ugly) self-contained code snippet
406  showing how SCHED_DEADLINE reservations can be created by a real-time
407  application developer.
408
409  #define _GNU_SOURCE
410  #include <unistd.h>
411  #include <stdio.h>
412  #include <stdlib.h>
413  #include <string.h>
414  #include <time.h>
415  #include <linux/unistd.h>
416  #include <linux/kernel.h>
417  #include <linux/types.h>
418  #include <sys/syscall.h>
419  #include <pthread.h>
420
421  #define gettid() syscall(__NR_gettid)
422
423  #define SCHED_DEADLINE 6
424
425  /* XXX use the proper syscall numbers */
426  #ifdef __x86_64__
427  #define __NR_sched_setattr             314
428  #define __NR_sched_getattr             315
429  #endif
430
431  #ifdef __i386__
432  #define __NR_sched_setattr             351
433  #define __NR_sched_getattr             352
434  #endif
435
436  #ifdef __arm__
437  #define __NR_sched_setattr             380
438  #define __NR_sched_getattr             381
439  #endif
440
441  static volatile int done;
442
443  struct sched_attr {
444         __u32 size;
445
446         __u32 sched_policy;
447         __u64 sched_flags;
448
449         /* SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH */
450         __s32 sched_nice;
451
452         /* SCHED_FIFO, SCHED_RR */
453         __u32 sched_priority;
454
455         /* SCHED_DEADLINE (nsec) */
456         __u64 sched_runtime;
457         __u64 sched_deadline;
458         __u64 sched_period;
459  };
460
461  int sched_setattr(pid_t pid,
462                   const struct sched_attr *attr,
463                   unsigned int flags)
464  {
465         return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags);
466  }
467
468  int sched_getattr(pid_t pid,
469                   struct sched_attr *attr,
470                   unsigned int size,
471                   unsigned int flags)
472  {
473         return syscall(__NR_sched_getattr, pid, attr, size, flags);
474  }
475
476  void *run_deadline(void *data)
477  {
478         struct sched_attr attr;
479         int x = 0;
480         int ret;
481         unsigned int flags = 0;
482
483         printf("deadline thread started [%ld]\n", gettid());
484
485         attr.size = sizeof(attr);
486         attr.sched_flags = 0;
487         attr.sched_nice = 0;
488         attr.sched_priority = 0;
489
490         /* This creates a 10ms/30ms reservation */
491         attr.sched_policy = SCHED_DEADLINE;
492         attr.sched_runtime = 10 * 1000 * 1000;
493         attr.sched_period = attr.sched_deadline = 30 * 1000 * 1000;
494
495         ret = sched_setattr(0, &attr, flags);
496         if (ret < 0) {
497                 done = 0;
498                 perror("sched_setattr");
499                 exit(-1);
500         }
501
502         while (!done) {
503                 x++;
504         }
505
506         printf("deadline thread dies [%ld]\n", gettid());
507         return NULL;
508  }
509
510  int main (int argc, char **argv)
511  {
512         pthread_t thread;
513
514         printf("main thread [%ld]\n", gettid());
515
516         pthread_create(&thread, NULL, run_deadline, NULL);
517
518         sleep(10);
519
520         done = 1;
521         pthread_join(thread, NULL);
522
523         printf("main dies [%ld]\n", gettid());
524         return 0;
525  }