Menu Governor

在现代操作系统中，往往很多时候并不需要去执行cpu密集型的任务，而每当这个时候，如果去持续的执行循环去等待新的任务发过来，那需要消耗巨大的能量。所以设计人员设计出一种空闲状态以此CPU进入低功耗模式。在Linux系统中，系统中的程序在CPU上运行，当执行完成后便让出CPU，而这个时候CPU无需执行任何程序，并且也没有任何中断、异常信号发过来，CPU便会进入一种空闲的状态，一般称这种状态为cpu idle状态。

一、 CPU idle 框架概述

CPU idle框架主要分为cpu idle governor,cpu idle driver,cpu idle core。

cpu idle governor,cpu idle driver,cpu idle core三者的关系如下图所示：

CPU调度器发现没有任务在运行时，会切换到idle进程，通过cpuidle_idle_call接口调到cpuidle framework中，cpuidle framework内部会选择适当的策略在决定进入哪种状态，然后回调到driver端实现。

当CPU进入idle状态后，CPU将停止时钟并且部分硬件将会停止使用，以此来减少CPU所消耗的能量。但是在这种情况下，该CPU的性能会受到很大限制。控制好CPU如何进入/退出CPU idle深度（即C state）是CPU idle子系统中一个关键点。

C state根据不同的深度会存在不同的退出延迟和功耗，如下图所示

本文主要是对CPU idle governor的一个粗略介绍。本文所有代码选自Linux Kernel5.0.7。

二、 CPU idle 进入/退出流程简述

Linux系统启动的时候，会在每一个CPU上创建对应的cpu idle线程。系统初始化完成后，将init线程转化为idle线程。在init/main.c中start_cpu()函数最后会调用 arch_call_rest_init()将init进程转化为idle进程，最终进入到cpu_startup_entry()中进入到无限的idle loop中。

在do_idle()中，代码会不断地轮询，判断当前系统是否需要调度，如果系统当前不需要调度，则进入到idle状态。

do_idle()->cpuidle_idle_call()->cpuidle_select()

进入cpuidle流程后，会根据系统中对应governor策略进而选择不同的idle state。

系统在选择完idle state后，还会调用cpuidle_reflect()将选取过程中一些信息和结果保留下来，以备下一次选取使用。

在进入idle状态后，CPU会调用WFI指令（wait for interrupt），直到有中断到来，系统就会退出idle状态。

三、CPU idle governor

1.综述

在实际CPU运行环境中，不同的CPU他们对idle状态的需求和进入/退出方法会存在差别，而这其中功耗和退出延迟成为了在idle调度过程一组不可调和的矛盾，如何保证在满足性能需求的前提下尽可能的节省功耗成了CPU idle子系统的一个重要组成部分。CPU idle governor在整个CPU idle子系统中负责提供如何使用CPU idle的策略。

内核中提供了两种策略:Menu和Ladder。选择哪种调度器，取决于内核的配置，其中关键点是系统调度的tick是否可以被空闲循环停止。在系统初始化过程中，menu和ladder分别通过cpuidle_register_governor()注册到系统中。

ladder governor会首先进入最浅的idle state，然后如果待的时间足够长，则会进入到更深一级的idle state，以此类推，直到到达最深的idle state。当被唤醒时，会尽可能快地重新启动CPU；等到下次空闲，则又会从idle state1开始进入。它往往用于periodic timer tick system。

而在tickless system中，ladder可能会存在没有机会进入到更深一级的idle状态中，引起功耗损失，所以这个时候往往会使用menu调度器。menu调度器则不一定遵守由浅入深的规则，如果深度的idle state更好，那么就会直接进入到深度的idle state。

由于主流系统中常采用tickless system，本文重点介绍menu governor。

对于menu调度器，存在两种决定idle深度（下称C state）的因素

（1）能量平衡点（停留时间）

在进入/退出C state时，系统会消耗一定的能量，所以频繁进出C state不是一件能带来收益的事情，调度器在考虑进入C state的时候，会考虑进入该C state的预计持续时间。

（2）性能影响（系统延迟容忍度）

对于C state来说，退出C state会存在巨大的延迟，这会极大影响性能。因此对于调度器来说，系统越忙，C state就越不能被接受，系统的工作负载也被纳入决策因素中。

而以上两个因素，menu governor的职责具体到实际情况中，便转换为了两个任务：1.预测C state的停留时间。2.计算系统延迟容忍度

在struct cpuidle_state中使用target_residency来记录该C state下的停留时间阈值。在选择过程中，会计算出预计停留时间(predicted_us)和备选的C state中的target_residency进行比较，选取其中满足停留时间大于target_residency的C state。

选取时，先通过pm qos计算出系统此时的系统容忍度(latency_req)，接着在所有exit_latency小于latency_req的C state中选择power_usage最小的那个state。

2.核心结构体

C state的结构体如下：

• name：该state 的名称

• desc：该state的简介

• exit_latency：表示退出该state的延迟，单位us

• power_usage：表示该state下的功耗

• target_residency：期望停留时间，单位us

• enter：进入该state的回调函数

menu governor的结构体如下：

• last_state_idx：记录上一次进入的idle深度
• need_update：在系统每次从C state返回时，会调用reflect接口，用于考虑这次state切换的结果，menu governor的reflect接口会将need_update设置为1，在下次进入select时对idle信息进行更新
• tick_wakeup：记录上次退出C状态是否是被tick唤醒
• next_timer_us：记录距离下一个tick到来的时间
• bucket：记录在当前的校正因子的位置
• correction factor：保存校正因子的数组
• intervals、interval_ptr：计算标准差时所采用的停留时间

3.核心函数

menu governor的menu_select()的核心部分如下：

在计算predict的过程中，menu governor会将下一个tick到来的时间点距离此刻的时间（next_timer_us）作为一个基础的predicted_us，并在这个基础上调整。

首先，因为predicted_us并不总是与next_timer_us直接相等，在等待下一个tick的过程很有可能被其他时间所唤醒，所以需要引入校正因子（correction factor）矫正predicted_us。此校正因子从对应的bucket索引中选取。

menu governor使用了一组12组校正因子来预测空闲时间，校正因子的值基于过去predicted_us和next_timer_us的比率，并且采用动态平均算法。另外对于不同的next_timers_us，校正因子的影响程度是不一样的；对于不同的io wait场景，系统对校正因子也有着不同的敏感程度 。

随后尝试通过最近的8个过去的停留时间来查找重复间隔，如果他们的标准差小于一定阈值，则将这8个时间的平均值作为predicted_us。

最后取以上两个流程中的最小值。

对于系统容忍度，menu governor使用性能乘数（performance multiplier）、预计停留时间（predicted）和系统延迟需求（latency requirement）来找出最大退出延迟。系统延迟需求作为第一个系统延迟容忍度；通过公式（1）计算出另外一个系统容忍度：predicted_us / (1 +10 * iowaiters)

*iowaiters指当前cpu上iowait的任务数

取前面两个系统容忍度中最小值作为最小的系统容忍度。

最后根据前面计算出来的两个因素来选取具体的idle state，将计算出的predicted_us与所有idle状态的停留时间进行比较，选择特定idle状态的条件是相应的停留时间应小于predicted_us。另外，将状态的exit_latency与系统的交互性要求进行比较。基于两个等待时间因素，选择适当的空闲状态。

在cpu退出idle状态后，menu governor会将将上一轮的进入idle状态的数据更新到menu driver中，作为下一次select的参数。

下一次进入选择流程时，会先触发更新需求，即进入到menu_update()中

在更新信息时，会尝试算出进入idle状态到被唤醒经历了多长时间。

①如果cpu被tick唤醒，而且上次记录的next_timer_us大于了一个tick的时间，那么governor就假定cpu已经空闲了很长时间，则measured_us为9 * MAX_INTERESTING / 10（INTERESTING=50000）

②如果cpu退出了轮询状态，会导致选择该状态的空闲持续时间不准确，故将next_timer_us作为measured_us

③除此之外，measured_us将使用驱动中记录的上次idle状态中停留时间

算出来之后再减去退出延迟，然后与next_timer_us取最小值，便得出了最终的measured_us。

接下来是计算下一次选择校正因子（correction factor）的值

将上一次的校正因子先衰减一次，然后加上一个predicted_us和next_timer_us的比值

new_factor += RESOLUTION * measured_us / data->next_timer_us;

（RESOLUTION=1024）

最后就可以将这两个值更新到governor的驱动中。

参考资料

[1]https://www.kernel.org/doc/html/v5.0/admin-guide/pm/cpuidle.html

[2]http://www.wowotech.net/pm_subsystem/cpuidle_menu_governor.html

[3]https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11379937.html

[4]S. Pattanayak and B. Thangaraju, "Linux CPU-Idle Menu Governor with Online Reinforcement Learning and Scheduler Load Balancing Statistics," 2019 IEEE International Conference on Electronics, Computing and Communication Technologies (CONECCT), Bangalore, India, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/CONECCT47791.2019.9012820.