1. Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Operating System 6 주차 - Completely Fair Scheduler (1) - Real-Time Computing and Communications Lab. Hanyang University yjuly0708@hanyang.ac.kr rooterby@gmail.com

2. 2 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 2 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Contents  Linux Scheduler  CFS (Completely Fair Scheduler)  CFS Parameters  CFS Source code (1)  Kernel Functions  Foreground & Background  “top” command  과제 4 preview

3. 3 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 3 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Linux Scheduler

4. 4 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 4 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Linux Scheduler  Linux Scheduler 는 Scheduler class 라는 이름으로 모듈 화 되어 있다.  각각의 Scheduler class 는 우선순위를 가지고 있다.  Task 는 아래의 Scheduler class 중 1 개에 속해서, 해당 알 고리즘에 맞게 동작한다.

5. 5 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 5 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS (Completely Fair Scheduler)  CFS (Completely Fair Scheduler)  Linux kernel version 2.6.23 이후로 기본 스케줄러로 사용되고 있 는 스케줄러  일반적인 여러 task 들에 대해 공정하게 CPU time 을 할당하기 위 해 도입  Basic concept 각각의 task 들이 가지는 weight 에 비례하여 CPU time 을 할당

6. 6 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 6 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Parameters  CPU’s Run queue  Linux 에서 각각의 CPU 는 자신의 run queue 를 가진다.  Real-time task 들은 array 로 저장하고 일반적인 task 에 대해서는 Red-black tree 구조를 통해 task 를 저장  /kernel/sched/sched.h -> cfs_rq

7. 7 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 7 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Parameters  Schedulable Entity  각각의 프로세스들은 자신의 task_struct 에 sched_entity 를 가짐  Task 의 weight 과 같은 linux scheduling 에 필요한 정보를 가지고 있음  /include/linux/sched.h

8. 8 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 8 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Parameters  Task Priority  각각의 task 는 priority 에 따라서 CPU 를 할당  Priority 값이 작을수록 우선순위가 높다는 것을 의미  Non-real-time priority 의 경우 100 ~ 139 의 값을 가짐 (Nice value : -20 ~ 19, default is 0)  Real-time priority 의 경우 0 ~ 99 의 값을 가짐

9. 9 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 9 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Parameters  Nice value  Nice value 란 모든 Unix system 에서 사용되는 표준 Priority.  Linux 의 경우 각각의 task 에 대한 time slice 를 nice value 값을 이 용해 할당.  kernel/sched/sched.h 에 각 nice value 값에 따른 task weight 값 이 정의되어 있음.  Default : 0 (Weight = 1024)

10. 10 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 10 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Parameters  Timeslice  Task 가 preemption 되기 전 CPU 를 통해 수행된 시간  Timeslice 는 각 task 의 weight 에 따라서 proportional 하게 할당 됨

11. 11 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 11 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Parameters  Virtual Runtime (vruntime)  “ideal multitasking” 을 수행하기 위해 제안됨  Nice value = 0 에 해당하는 weight 값과 자신의 weight 값의 상대 적인 비율에 따른 가상의 시간 (=vruntime) 을 계산함.  Scheduler 는 vruntime 이 가장 작은 task 를 선택함. Red-black tree leftmost node

12. 12 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 12 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Quiz  1. 프로세서가 100ms 동안 실행 한다고 가정하고 같은 nice 값을 가지는 task 가 2 개 (A, B) 존재한다면, 각각의 task 가 가지는 timeslice 는 어떻게 되는가 ? 만약 4 개 라면 ?  2. 프로세서가 100ms 동안 실행하고, nice 0 과 nice5 를 가지는 2 개의 task 가 실행된다. 각각의 task 가 가지는 timeslice 는 어떻게 되겠는가 ?  3. 프로세서가 100ms 동안 실행하고, 같은 nice 값을 갖는 task 가 2 개 있다. 스 케줄러는 20ms 주기로 context switching 을 한다고 가정하자. 60ms 의 시간 이 지났을 때, 각각의 task 가 실제 실행된 시간은 ?  4. 3 의 상황에서 만약 weight 가 3:1 인 task 가 2 개라면 ? 그리고 이때 virtual runtime 의 개념 을 CFS 는 어떻게 사용하는가 ?  5. task 의 nice value 가 작아질 수록 virtual runtime 은 어떻게 되겠는가 ? 그 리고 이때, 어떤 효과가 예상되는가 ?

13. 13 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 13 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Overview of Scheduling Flow  Timer interrupt 에 의해 CFS 의 scheduling tick 이 동작  각각의 scheduling tick 에 대해  1. 현재 running task 에 대해 virtual runtime 을 update  2. Virtual runtime 과 time slice 를 구한 뒤 (virtual runtime) ≥ (time slice) 를 만족하면, TIF_NEED_RESCHED flag 를 set  3. TIF_NEED_RESCHED 를 check Set 상태이면, run queue 에서 가장 작은 virtual runtime 값을 갖는 task 를 scheduling 함 Red-black tree 에 현재 running task 를 Enqueue Red-black tree 에서 left-most node 를 Dequeue

14. 14 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 14 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code scheduler_tick task_tick -> task_tick_fair entity_tick update_curr calc_delta_fair check_preempt_tick sched_slice resched_task set_tsk_need_resched cfs_rq->nr_running > 1 = true? vruntime > time slice YES NO YES NO

15. 15 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 15 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  scheduler_tick  Timer interrupt 에 의해서 실행  현재 running task 에 대한 정보를 받아 task tick(= task_tick_fair) 을 실행

16. 16 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 16 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  task_tick_fair  CFS task 들에 대해 scheduling tick 을 수행  현재 task 의 sched_entity 를 받아 entity_tick 호출

17. 17 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 17 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  entity_tick  CFS 의 schedulable entity 의 정보를 update  update_curr 를 호출하여 virtual runtime 을 update  check_preempt_tick 를 호출하여 TIF_NEED_RESCHED 의 조건 을 검사

18. 18 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 18 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  update_curr  프로세스의 vruntime 값을 갱신

19. 19 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 19 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  calc_delta_fair  실제 time slice 값에 대하여 task 의 weight 비율에 따른 vruntime 을 계산  __calc_delta 를 호출하여 vruntime 계산

20. 20 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 20 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  check_preempt_tick  CFS 의 entity_tick 에 의해서 호출됨  ideal runtime 을 구하기 위해 time slice 를 구하는 sched_slice 함 수 호출  (virtual runtime) > time slice 이면, resched_task 호출

21. 21 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 21 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  sched_slice  해당 task 에 대해 time slice 값을 반환  struct load_weight *load 는 cfs_rq 전체의 weight 를 뜻함.  se->load.weight 은 현재 task 의 weight 을 뜻함.

22. 22 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 22 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr CFS Source code  resched_task  해당 task 가 rescheduling 되어야 함을 mark 하는 함수  set_tsk_need_resched 를 호출하여 TIF_NEED_RESCHED 를 set 시킴

23. 23 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 23 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Kernel Functions  access_ok  사용자 영역의 포인터를 검증하는데 사용되는 커널 함수  Def : int access_ok (type, address, size)  Parameters Type : 접근 유형 (VERIFY_READ, VERIFY_WRITE) Address : 사용자 영역의 메모리 블록을 가리키는 포인터 Size : 블록 크기 Return : 성공일 때 0 을 반환  linux/include/asm/uaccess.h 에 정의되어 있음

24. 24 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 24 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Kernel Functions  copy_to_user, copy_from_user  커널과 유저 영역 사이에서 Data 를 복사  Def unsigned long copy_to_user(*to_user, *from_kernel, data_size) unsigned long copy_from_user(*to_kernel, *from_user, data_size)  Parameters *to_user, *from_user : 사용자 영역의 Data pointer *to_kernel, *from_kernel : 커널 영역의 Data pointer Data_size : Data 의 크기

25. 25 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 25 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Kernel Functions  Example (Kernel code)  User 로부터 integer 변수를 받아 커널에서 factorial 계산

26. 26 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 26 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Kernel Functions  Example (Kernel code) SYSCALL_DEFINE 사용 helloworld.c file 에 다음과 같이 추 가해 보았습니다. 비슷한 목적을 가진 시스템 콜에 대해서 1 개의 파일에 여러 개의 시스템 콜을 구현할 때 사용할 수 있습니다. 상단에 추가적으로 맵핑을 위해 linux/syscalls.h 를 추가해줍니다.

27. 27 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 27 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Kernel Functions  Example (User code)  getfactorial 시스템 콜을 호출해 factorial 계산

28. 28 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 28 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Foreground & Background ( 중복 )  프로세스를 실행하는 방법은 크게 2 가지가 있다.  Foreground  기본적으로 모든 프로세스는 foreground 로 실행된다.  키보드와 연결되어 있으며 결과를 직접적으로 스크린 혹은 터미널 창에 출 력한다.  꽤 긴 시간 동안 동작하는 프로그램을 실행시켰을 경우에는 그 시간 동안 터미널을 이용할 수 없게 되므로, 곤란한 경우가 생기게 된다.  Background  키보드와 연결되지 않은 상태로 실행된다.  만약 이 프로세스가 키보드 입력을 필요로 할 경우에는, 입력을 기다린다.  Background 로 프로세스를 실행하는 것의 장점은 한 프로세스가 동작하 고 있는 동안에도 다른 프로세스를 실행시킬 수 있다는 점이다.  $./a.out & 를 통해 백그라운드로 실행할 수 있다.

29. 29 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 29 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Foreground & Background ( 중복 )  Example> matrix source code  단순하게 100 x 100 행렬을 10^5 제곱하는 함수.  참고로 아래 프로그램은 input_matrix 의 초기화가 생략되어 있습니다.

30. 30 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 30 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Foreground & Background ( 중복 )  Example> Foreground & Background  Foreground 실행 -> 프로세스가 종료할 때 까지 다른 작업 못함.  Background 실행 -> 다른 작업 가능  “ctrl + z” 프로세스 중지 -> foreground 프로세스 중지

31. 31 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 31 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Foreground & Background ( 중복 )  Example> Foreground & Background  command “jobs” 현재 실행되고 있는 프로세스들의 상태와, job 번호를 알 수 있다.  Background -> Foreground $ fg %job 번호 (ex> fg %2)

32. 32 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 32 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr Foreground & Background ( 중복 )  Foreground -> Background $ bg %job 번호 foreground 에서 background 로 바꾸려면, 먼저 foreground 로 실행되고 있는 프로세스를 ctrl + z 로 중지 시킨 후 해야 한다.

33. 33 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 33 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr “top” command  Linux 에서 시스템 사용량을 확인  Usage : $ top [options]

34. 34 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 34 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr “top” command  Table 필드 정보  PID : 프로세스 ID (PID)  USER : 프로세스를 실행시킨 사용자 ID  PRI : 프로세스 우선순위 (nice value + 20)  NI : task 의 Nice value  VIRT : 가상 메모리 사용량  RES : 현재 Page 가 상주하고 있는 크기 (Resident Size)  S : 프로세스 상태 (S : sleeping, R : running, W : swapped out process, Z : zombies)  %CPU : 프로세스가 사용하는 CPU 사용률  %MEM : 프로세스가 사용하는 메모리 사용률  COMMAND : 실행된 명령어

35. 35 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 35 Real-Time Computing and Communications Lab., Hanyang University http://rtcc.hanyang.ac.kr 과제 4 Preview  Example>