sched/dl/Documentation: Add some notes on EDF schedulability
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / 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 behavior,
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] algorithm 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 characterized 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-initialized 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 characterized 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{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  Summing up, a real-time task can be described as
141         Task = (WCET, D, P)
142
143  The utilization of a real-time task is defined as the ratio between its
144  WCET and its period (or minimum inter-arrival time), and represents
145  the fraction of CPU time needed to execute the task.
146
147  If the total utilization U=sum(WCET_i/P_i) is larger than M (with M equal
148  to the number of CPUs), then the scheduler is unable to respect all the
149  deadlines.
150  Note that total utilization is defined as the sum of the utilizations
151  WCET_i/P_i over all the real-time tasks in the system. When considering
152  multiple real-time tasks, the parameters of the i-th task are indicated
153  with the "_i" suffix.
154  Moreover, if the total utilization is larger than M, then we risk starving
155  non- real-time tasks by real-time tasks.
156  If, instead, the total utilization is smaller than M, then non real-time
157  tasks will not be starved and the system might be able to respect all the
158  deadlines.
159  As a matter of fact, in this case it is possible to provide an upper bound
160  for tardiness (defined as the maximum between 0 and the difference
161  between the finishing time of a job and its absolute deadline).
162  More precisely, it can be proven that using a global EDF scheduler the
163  maximum tardiness of each task is smaller or equal than
164         ((M − 1) · WCET_max − WCET_min)/(M − (M − 2) · U_max) + WCET_max
165  where WCET_max = max{WCET_i} is the maximum WCET, WCET_min=min{WCET_i}
166  is the minimum WCET, and U_max = max{WCET_i/P_i} is the maximum utilization.
167
168  If M=1 (uniprocessor system), or in case of partitioned scheduling (each
169  real-time task is statically assigned to one and only one CPU), it is
170  possible to formally check if all the deadlines are respected.
171  If D_i = P_i for all tasks, then EDF is able to respect all the deadlines
172  of all the tasks executing on a CPU if and only if the total utilization
173  of the tasks running on such a CPU is smaller or equal than 1.
174  If D_i != P_i for some task, then it is possible to define the density of
175  a task as WCET_i/min{D_i,P_i}, and EDF is able to respect all the deadlines
176  of all the tasks running on a CPU if the sum of the densities of the tasks
177  running on such a CPU is smaller or equal than 1:
178         sum(WCET_i / min{D_i, P_i}) <= 1
179  It is important to notice that this condition is only sufficient, and not
180  necessary: there are task sets that are schedulable, but do not respect the
181  condition. For example, consider the task set {Task_1,Task_2} composed by
182  Task_1=(50ms,50ms,100ms) and Task_2=(10ms,100ms,100ms).
183  EDF is clearly able to schedule the two tasks without missing any deadline
184  (Task_1 is scheduled as soon as it is released, and finishes just in time
185  to respect its deadline; Task_2 is scheduled immediately after Task_1, hence
186  its response time cannot be larger than 50ms + 10ms = 60ms) even if
187         50 / min{50,100} + 10 / min{100, 100} = 50 / 50 + 10 / 100 = 1.1
188  Of course it is possible to test the exact schedulability of tasks with
189  D_i != P_i (checking a condition that is both sufficient and necessary),
190  but this cannot be done by comparing the total utilization or density with
191  a constant. Instead, the so called "processor demand" approach can be used,
192  computing the total amount of CPU time h(t) needed by all the tasks to
193  respect all of their deadlines in a time interval of size t, and comparing
194  such a time with the interval size t. If h(t) is smaller than t (that is,
195  the amount of time needed by the tasks in a time interval of size t is
196  smaller than the size of the interval) for all the possible values of t, then
197  EDF is able to schedule the tasks respecting all of their deadlines. Since
198  performing this check for all possible values of t is impossible, it has been
199  proven[4,5,6] that it is sufficient to perform the test for values of t
200  between 0 and a maximum value L. The cited papers contain all of the
201  mathematical details and explain how to compute h(t) and L.
202  In any case, this kind of analysis is too complex as well as too
203  time-consuming to be performed on-line. Hence, as explained in Section
204  4 Linux uses an admission test based on the tasks' utilizations.
205
206  On multiprocessor systems with global EDF scheduling (non partitioned
207  systems), a sufficient test for schedulability can not be based on the
208  utilizations (it can be shown that task sets with utilizations slightly
209  larger than 1 can miss deadlines regardless of the number of CPUs M).
210  However, as previously stated, enforcing that the total utilization is smaller
211  than M is enough to guarantee that non real-time tasks are not starved and
212  that the tardiness of real-time tasks has an upper bound.
213
214  SCHED_DEADLINE can be used to schedule real-time tasks guaranteeing that
215  the jobs' deadlines of a task are respected. In order to do this, a task
216  must be scheduled by setting:
217
218   - runtime >= WCET
219   - deadline = D
220   - period <= P
221
222  IOW, if runtime >= WCET and if period is <= P, then the scheduling deadlines
223  and the absolute deadlines (d_j) coincide, so a proper admission control
224  allows to respect the jobs' absolute deadlines for this task (this is what is
225  called "hard schedulability property" and is an extension of Lemma 1 of [2]).
226  Notice that if runtime > deadline the admission control will surely reject
227  this task, as it is not possible to respect its temporal constraints.
228
229  References:
230   1 - C. L. Liu and J. W. Layland. Scheduling algorithms for multiprogram-
231       ming in a hard-real-time environment. Journal of the Association for
232       Computing Machinery, 20(1), 1973.
233   2 - L. Abeni , G. Buttazzo. Integrating Multimedia Applications in Hard
234       Real-Time Systems. Proceedings of the 19th IEEE Real-time Systems
235       Symposium, 1998. http://retis.sssup.it/~giorgio/paps/1998/rtss98-cbs.pdf
236   3 - L. Abeni. Server Mechanisms for Multimedia Applications. ReTiS Lab
237       Technical Report. http://disi.unitn.it/~abeni/tr-98-01.pdf
238   4 - J. Y. Leung and M.L. Merril. A Note on Preemptive Scheduling of
239       Periodic, Real-Time Tasks. Information Processing Letters, vol. 11,
240       no. 3, pp. 115-118, 1980.
241   5 - S. K. Baruah, A. K. Mok and L. E. Rosier. Preemptively Scheduling
242       Hard-Real-Time Sporadic Tasks on One Processor. Proceedings of the
243       11th IEEE Real-time Systems Symposium, 1990.
244   6 - S. K. Baruah, L. E. Rosier and R. R. Howell. Algorithms and Complexity
245       Concerning the Preemptive Scheduling of Periodic Real-Time tasks on
246       One Processor. Real-Time Systems Journal, vol. 4, no. 2, pp 301-324,
247       1990.
248
249 4. Bandwidth management
250 =======================
251
252  As previously mentioned, in order for -deadline scheduling to be
253  effective and useful (that is, to be able to provide "runtime" time units
254  within "deadline"), it is important to have some method to keep the allocation
255  of the available fractions of CPU time to the various tasks under control.
256  This is usually called "admission control" and if it is not performed, then
257  no guarantee can be given on the actual scheduling of the -deadline tasks.
258
259  As already stated in Section 3, a necessary condition to be respected to
260  correctly schedule a set of real-time tasks is that the total utilization
261  is smaller than M. When talking about -deadline tasks, this requires that
262  the sum of the ratio between runtime and period for all tasks is smaller
263  than M. Notice that the ratio runtime/period is equivalent to the utilization
264  of a "traditional" real-time task, and is also often referred to as
265  "bandwidth".
266  The interface used to control the CPU bandwidth that can be allocated
267  to -deadline tasks is similar to the one already used for -rt
268  tasks with real-time group scheduling (a.k.a. RT-throttling - see
269  Documentation/scheduler/sched-rt-group.txt), and is based on readable/
270  writable control files located in procfs (for system wide settings).
271  Notice that per-group settings (controlled through cgroupfs) are still not
272  defined for -deadline tasks, because more discussion is needed in order to
273  figure out how we want to manage SCHED_DEADLINE bandwidth at the task group
274  level.
275
276  A main difference between deadline bandwidth management and RT-throttling
277  is that -deadline tasks have bandwidth on their own (while -rt ones don't!),
278  and thus we don't need a higher level throttling mechanism to enforce the
279  desired bandwidth. In other words, this means that interface parameters are
280  only used at admission control time (i.e., when the user calls
281  sched_setattr()). Scheduling is then performed considering actual tasks'
282  parameters, so that CPU bandwidth is allocated to SCHED_DEADLINE tasks
283  respecting their needs in terms of granularity. Therefore, using this simple
284  interface we can put a cap on total utilization of -deadline tasks (i.e.,
285  \Sum (runtime_i / period_i) < global_dl_utilization_cap).
286
287 4.1 System wide settings
288 ------------------------
289
290  The system wide settings are configured under the /proc virtual file system.
291
292  For now the -rt knobs are used for -deadline admission control and the
293  -deadline runtime is accounted against the -rt runtime. We realize that this
294  isn't entirely desirable; however, it is better to have a small interface for
295  now, and be able to change it easily later. The ideal situation (see 5.) is to
296  run -rt tasks from a -deadline server; in which case the -rt bandwidth is a
297  direct subset of dl_bw.
298
299  This means that, for a root_domain comprising M CPUs, -deadline tasks
300  can be created while the sum of their bandwidths stays below:
301
302    M * (sched_rt_runtime_us / sched_rt_period_us)
303
304  It is also possible to disable this bandwidth management logic, and
305  be thus free of oversubscribing the system up to any arbitrary level.
306  This is done by writing -1 in /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us.
307
308
309 4.2 Task interface
310 ------------------
311
312  Specifying a periodic/sporadic task that executes for a given amount of
313  runtime at each instance, and that is scheduled according to the urgency of
314  its own timing constraints needs, in general, a way of declaring:
315   - a (maximum/typical) instance execution time,
316   - a minimum interval between consecutive instances,
317   - a time constraint by which each instance must be completed.
318
319  Therefore:
320   * a new struct sched_attr, containing all the necessary fields is
321     provided;
322   * the new scheduling related syscalls that manipulate it, i.e.,
323     sched_setattr() and sched_getattr() are implemented.
324
325
326 4.3 Default behavior
327 ---------------------
328
329  The default value for SCHED_DEADLINE bandwidth is to have rt_runtime equal to
330  950000. With rt_period equal to 1000000, by default, it means that -deadline
331  tasks can use at most 95%, multiplied by the number of CPUs that compose the
332  root_domain, for each root_domain.
333  This means that non -deadline tasks will receive at least 5% of the CPU time,
334  and that -deadline tasks will receive their runtime with a guaranteed
335  worst-case delay respect to the "deadline" parameter. If "deadline" = "period"
336  and the cpuset mechanism is used to implement partitioned scheduling (see
337  Section 5), then this simple setting of the bandwidth management is able to
338  deterministically guarantee that -deadline tasks will receive their runtime
339  in a period.
340
341  Finally, notice that in order not to jeopardize the admission control a
342  -deadline task cannot fork.
343
344 5. Tasks CPU affinity
345 =====================
346
347  -deadline tasks cannot have an affinity mask smaller that the entire
348  root_domain they are created on. However, affinities can be specified
349  through the cpuset facility (Documentation/cgroups/cpusets.txt).
350
351 5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
352 ------------------------------------
353
354  An example of a simple configuration (pin a -deadline task to CPU0)
355  follows (rt-app is used to create a -deadline task).
356
357  mkdir /dev/cpuset
358  mount -t cgroup -o cpuset cpuset /dev/cpuset
359  cd /dev/cpuset
360  mkdir cpu0
361  echo 0 > cpu0/cpuset.cpus
362  echo 0 > cpu0/cpuset.mems
363  echo 1 > cpuset.cpu_exclusive
364  echo 0 > cpuset.sched_load_balance
365  echo 1 > cpu0/cpuset.cpu_exclusive
366  echo 1 > cpu0/cpuset.mem_exclusive
367  echo $$ > cpu0/tasks
368  rt-app -t 100000:10000:d:0 -D5 (it is now actually superfluous to specify
369  task affinity)
370
371 6. Future plans
372 ===============
373
374  Still missing:
375
376   - refinements to deadline inheritance, especially regarding the possibility
377     of retaining bandwidth isolation among non-interacting tasks. This is
378     being studied from both theoretical and practical points of view, and
379     hopefully we should be able to produce some demonstrative code soon;
380   - (c)group based bandwidth management, and maybe scheduling;
381   - access control for non-root users (and related security concerns to
382     address), which is the best way to allow unprivileged use of the mechanisms
383     and how to prevent non-root users "cheat" the system?
384
385  As already discussed, we are planning also to merge this work with the EDF
386  throttling patches [https://lkml.org/lkml/2010/2/23/239] but we still are in
387  the preliminary phases of the merge and we really seek feedback that would
388  help us decide on the direction it should take.
389
390 Appendix A. Test suite
391 ======================
392
393  The SCHED_DEADLINE policy can be easily tested using two applications that
394  are part of a wider Linux Scheduler validation suite. The suite is
395  available as a GitHub repository: https://github.com/scheduler-tools.
396
397  The first testing application is called rt-app and can be used to
398  start multiple threads with specific parameters. rt-app supports
399  SCHED_{OTHER,FIFO,RR,DEADLINE} scheduling policies and their related
400  parameters (e.g., niceness, priority, runtime/deadline/period). rt-app
401  is a valuable tool, as it can be used to synthetically recreate certain
402  workloads (maybe mimicking real use-cases) and evaluate how the scheduler
403  behaves under such workloads. In this way, results are easily reproducible.
404  rt-app is available at: https://github.com/scheduler-tools/rt-app.
405
406  Thread parameters can be specified from the command line, with something like
407  this:
408
409   # rt-app -t 100000:10000:d -t 150000:20000:f:10 -D5
410
411  The above creates 2 threads. The first one, scheduled by SCHED_DEADLINE,
412  executes for 10ms every 100ms. The second one, scheduled at SCHED_FIFO
413  priority 10, executes for 20ms every 150ms. The test will run for a total
414  of 5 seconds.
415
416  More interestingly, configurations can be described with a json file that
417  can be passed as input to rt-app with something like this:
418
419   # rt-app my_config.json
420
421  The parameters that can be specified with the second method are a superset
422  of the command line options. Please refer to rt-app documentation for more
423  details (<rt-app-sources>/doc/*.json).
424
425  The second testing application is a modification of schedtool, called
426  schedtool-dl, which can be used to setup SCHED_DEADLINE parameters for a
427  certain pid/application. schedtool-dl is available at:
428  https://github.com/scheduler-tools/schedtool-dl.git.
429
430  The usage is straightforward:
431
432   # schedtool -E -t 10000000:100000000 -e ./my_cpuhog_app
433
434  With this, my_cpuhog_app is put to run inside a SCHED_DEADLINE reservation
435  of 10ms every 100ms (note that parameters are expressed in microseconds).
436  You can also use schedtool to create a reservation for an already running
437  application, given that you know its pid:
438
439   # schedtool -E -t 10000000:100000000 my_app_pid
440
441 Appendix B. Minimal main()
442 ==========================
443
444  We provide in what follows a simple (ugly) self-contained code snippet
445  showing how SCHED_DEADLINE reservations can be created by a real-time
446  application developer.
447
448  #define _GNU_SOURCE
449  #include <unistd.h>
450  #include <stdio.h>
451  #include <stdlib.h>
452  #include <string.h>
453  #include <time.h>
454  #include <linux/unistd.h>
455  #include <linux/kernel.h>
456  #include <linux/types.h>
457  #include <sys/syscall.h>
458  #include <pthread.h>
459
460  #define gettid() syscall(__NR_gettid)
461
462  #define SCHED_DEADLINE 6
463
464  /* XXX use the proper syscall numbers */
465  #ifdef __x86_64__
466  #define __NR_sched_setattr             314
467  #define __NR_sched_getattr             315
468  #endif
469
470  #ifdef __i386__
471  #define __NR_sched_setattr             351
472  #define __NR_sched_getattr             352
473  #endif
474
475  #ifdef __arm__
476  #define __NR_sched_setattr             380
477  #define __NR_sched_getattr             381
478  #endif
479
480  static volatile int done;
481
482  struct sched_attr {
483         __u32 size;
484
485         __u32 sched_policy;
486         __u64 sched_flags;
487
488         /* SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH */
489         __s32 sched_nice;
490
491         /* SCHED_FIFO, SCHED_RR */
492         __u32 sched_priority;
493
494         /* SCHED_DEADLINE (nsec) */
495         __u64 sched_runtime;
496         __u64 sched_deadline;
497         __u64 sched_period;
498  };
499
500  int sched_setattr(pid_t pid,
501                   const struct sched_attr *attr,
502                   unsigned int flags)
503  {
504         return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags);
505  }
506
507  int sched_getattr(pid_t pid,
508                   struct sched_attr *attr,
509                   unsigned int size,
510                   unsigned int flags)
511  {
512         return syscall(__NR_sched_getattr, pid, attr, size, flags);
513  }
514
515  void *run_deadline(void *data)
516  {
517         struct sched_attr attr;
518         int x = 0;
519         int ret;
520         unsigned int flags = 0;
521
522         printf("deadline thread started [%ld]\n", gettid());
523
524         attr.size = sizeof(attr);
525         attr.sched_flags = 0;
526         attr.sched_nice = 0;
527         attr.sched_priority = 0;
528
529         /* This creates a 10ms/30ms reservation */
530         attr.sched_policy = SCHED_DEADLINE;
531         attr.sched_runtime = 10 * 1000 * 1000;
532         attr.sched_period = attr.sched_deadline = 30 * 1000 * 1000;
533
534         ret = sched_setattr(0, &attr, flags);
535         if (ret < 0) {
536                 done = 0;
537                 perror("sched_setattr");
538                 exit(-1);
539         }
540
541         while (!done) {
542                 x++;
543         }
544
545         printf("deadline thread dies [%ld]\n", gettid());
546         return NULL;
547  }
548
549  int main (int argc, char **argv)
550  {
551         pthread_t thread;
552
553         printf("main thread [%ld]\n", gettid());
554
555         pthread_create(&thread, NULL, run_deadline, NULL);
556
557         sleep(10);
558
559         done = 1;
560         pthread_join(thread, NULL);
561
562         printf("main dies [%ld]\n", gettid());
563         return 0;
564  }