sp_SP/scheduler/sched-design-CFS.rst

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:Original: :ref:`Documentation/scheduler/sched-design-CFS.rst <sched_design_CFS>`
:Translator: Sergio González Collado <sergio.collado@gmail.com>

.. _sp_sched_desing_CFS:

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Gestor de tareas CFS
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1.  VISIÓN GENERAL
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CFS viene de las siglas en inglés de "Gestor de tareas totalmente justo"
("Completely Fair Scheduler"), y es el nuevo gestor de tareas de escritorio
implementado por Ingo Molnar e integrado en Linux 2.6.23. Es el sustituto de
el previo gestor de tareas SCHED_OTHER.

Nota: El planificador EEVDF fue incorporado más recientemente al kernel.

El 80% del diseño de CFS puede ser resumido en una única frase: CFS
básicamente modela una "CPU ideal, precisa y multi-tarea" sobre hardware
real.

"una CPU multitarea ideal" es una CPU (inexistente :-)) que tiene un 100%
de potencia y que puede ejecutar cualquier tarea exactamente a la misma
velocidad, en paralelo, y cada una a 1/n velocidad. Por ejemplo, si hay dos
tareas ejecutándose, entonces cada una usa un 50% de la potencia --- es decir,
como si se ejecutaran en paralelo.

En hardware real, se puede ejecutar una única tarea a la vez, así que
se ha usado el concepto de "tiempo de ejecución virtual". El tiempo
de ejecución virtual de una tarea específica cuando la siguiente porción
de ejecución podría empezar en la CPU ideal multi-tarea descrita anteriormente.
En la práctica, el tiempo de ejecución virtual de una tarea es el
tiempo de ejecución real normalizado con respecto al número total de
tareas ejecutándose.


2.  UNOS CUANTOS DETALLES DE IMPLEMENTACIÓN
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En CFS, el tiempo de ejecución virtual se expresa y se monitoriza por
cada tarea, en su valor de p->se.vruntime (en unidades de nanosegundos).
De este modo, es posible temporizar con precisión y medir el "tiempo
de CPU esperado" que una tarea debería tener.

Un pequeño detalle: en hardware "ideal", en cualquier momento todas las
tareas pueden tener el mismo valor de p->se.vruntime --- i.e., tareas
se podrían ejecutar simultáneamente y ninguna tarea podría escaparse del
"balance" de la partición "ideal" del tiempo compartido de la CPU.

La lógica de elección del tareas de CFS se basa en el valor de p->se.vruntime
y por tanto es muy sencilla: siempre intenta ejecutar la tarea con el valor
p->se.vruntime más pequeño (i.e., la tarea que se ha ejecutado menos hasta el
momento). CFS siempre intenta dividir el espacio de tiempo entre tareas
en ejecución tan próximo a la "ejecución multitarea ideal del hardware" como
sea posible.

El resto del diseño de CFS simplemente se escapa de este simple concepto,
con unos cuantos añadidos como los niveles "nice" ("nice" significa "amable"
en inglés), multi-tarea y varias variantes del algoritmo para identificar
tareas "durmiendo".


3.  EL ÁRBOL ROJO-NEGRO
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El diseño de CFS es bastante radical: no utiliza las antiguas estructuras
de datos para las colas de ejecución (en inglés "runqueues"), pero usa una
estructura de árbol rojo-negro (en inglés "red-black tree") ordenado cronológicamente
para construir un línea de ejecución en el futuro, y por eso no tiene ningún
artificio de "cambio de tareas" (algo que previamente era usado por el gestor
anterior y RSDL/SD).

CFS también mantiene el valor de rq->cfs.min_vruntime, el cual crece
monotónicamente siguiendo el valor más pequeño de vruntime de entre todas
las tareas en la cola de ejecución. La cantidad total de trabajo realizado
por el sistema es monitorizado usado min_vruntime; este valor es usado
para situar las nuevas tareas en la parte izquierda del árbol tanto
como sea posible.

El valor total de tareas ejecutándose en la cola de ejecución es
contabilizado mediante el valor rq->cfs.load, el cual es la suma de los
de esas tareas que están en la cola de ejecución.

CFS mantiene un árbol rojo-negro cronológicamente ordenado, donde todas las
tareas que pueden ser ejecutadas están ordenadas por su valor de
p->se.vruntime. CFS selecciona la tarea más hacia la izquierda de este
árbol y la mantiene. Según el sistema continúa, las tareas ejecutadas
se ponen en este árbol más y más hacia la derecha --- lentamente pero
de forma continuada dando una oportunidad a cada tarea de ser la que
está "la más hacia la izquierda" y por tanto obtener la CPU una cantidad
determinista de tiempo.

Resumiendo, CFS funciona así: ejecuta una tarea un tiempo, y cuando la
tarea se gestiona (o sucede un tic del gestor de tareas) se considera
que el tiempo de uso de la CPU se ha completado, y se añade a
p->se.vruntime. Una vez p->se.vruntime ha aumentado lo suficiente como
para que otra tarea sea "la tarea más hacia la izquierda" del árbol
rojo-negro ordenado cronológicamente esta mantienen (más una cierta pequeña
cantidad de distancia relativa a la tarea más hacia la izquierda para
que no se sobre-reserven tareas y perjudique a la cache), entonces la
nueva tarea "que está a la izquierda del todo", es la que se elige
para que se ejecute, y la tarea en ejecución es interrumpida.

4.  ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE CFS
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CFS usa una granularidad de nanosegundos y no depende de ningún
jiffie o detalles como HZ. De este modo, el gestor de tareas CFS no tiene
noción de "ventanas de tiempo" de la forma en que tenía el gestor de
tareas previo, y tampoco tiene heurísticos. Únicamente hay un parámetro
central ajustable (se ha de cambiar en CONFIG_SCHED_DEBUG):

   /sys/kernel/debug/sched/base_slice_ns

El cual puede ser usado para afinar desde el gestor de tareas del "escritorio"
(i.e., bajas latencias) hacia cargas de "servidor" (i.e., bueno con
procesamientos). Su valor por defecto es adecuado para tareas de escritorio.
SCHED_BATCH también es gestionado por el gestor de tareas CFS.

Debido a su diseño, el gestor de tareas CFS no es proclive a ninguno de los
ataques que existen a día de hoy contra los heurísticos del gestor de tareas:
fiftyp.c, thud.c, chew.c, ring-test.c, massive_intr.c todos trabajan
correctamente y no tienen impacto en la interacción y se comportan de la forma
esperada.

El gestor de tareas CFS tiene una gestión mucho más firme de los niveles
"nice" y SCHED_BATCH que los previos gestores de tareas: ambos tipos de
tareas están aisladas de forma más eficiente.

El balanceo de tareas SMP ha sido rehecho/mejorado: el avance por las
colas de ejecución de tareas ha desaparecido del código de balanceo de
carga, y ahora se usan iteradores en la gestión de módulos. El balanceo
del código ha sido simplificado como resultado esto.

5.  Políticas de gestión de tareas
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CFS implementa tres políticas de gestión de tareas:

  - SCHED_NORMAL (tradicionalmente llamada SCHED_OTHER): Gestión de
    tareas que se usan para tareas normales.

  - SCHED_BATCH: No interrumpe tareas tan a menudo como las tareas
    normales harían, por eso permite a las tareas ejecutarse durante
    ventanas de tiempo mayores y hace un uso más efectivo de las
    caches pero al coste de la interactividad. Esto es adecuado
    para trabajos de procesado de datos.

  - SCHED_IDLE: Esta política es más débil incluso que nice 19, pero
    no es un gestor "idle" para evitar caer en el problema de la
    inversión de prioridades que causaría un bloqueo de la máquina
    (deadlock).

SCHED_FIFO/_RR se implementan en sched/rt.c y son específicos de
POSIX.

El comando chrt de util-linux-ng 2.13.1.1. puede asignar cualquiera de
estas políticas excepto SCHED_IDLE.


6.  CLASES DE GESTIÓN
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El nuevo gestor de tareas CFS ha sido diseñado de tal modo para incluir
"clases de gestión", una jerarquía ampliable de módulos que pueden tener
distintas políticas de gestión de tareas. Estos módulos encapsulan los
detalles de las politicas de gestión y son manejadas por el núcleo del
gestor de tareas sin que este tenga que presuponer mucho sobre estas clases.

sched/fair.c implementa el gestor de tareas CFS descrito antes.

sched/rt.c implementa la semántica de SCHED_FIFO y SCHED_RR, de una forma
más sencilla que el gestor de tareas anterior. Usa 100 colas de ejecución
(por todos los 100 niveles de prioridad RT, en vez de las 140 que necesitaba
el gestor de tareas anterior) y no necesita las listas de expiración.

Las clases de gestión de tareas son implementadas por medio de la estructura
sched_class, la cual tiene llamadas a las funciones que deben de llamarse
cuando quiera que ocurra un evento interesante.

Esta es la lista parcial de llamadas:

 - enqueue_task(...)

   Llamada cuando una tarea entra en el estado de lista para ejecución.
   Pone la entidad a ser gestionada (la tarea) en el árbol rojo-negro
   e incrementa la variable nr_running.

 - dequeue_task(...)

   Cuando una tarea deja de ser ejecutable, esta función se llama para
   mantener a la entidad gestionada fuera del árbol rojo-negor. Esto
   decrementa la variable nr_running.

 - yield_task(...)

   Esta función es básicamente desencolar, seguido por encolar, a menos que
   sysctl compat_yield esté activado; en ese caso, sitúa la entidad a gestionar
   en la parte más hacia la derecha del árbol rojo-negro.

 - check_preempt_curr(...)

   Esta función comprueba si una tarea que ha entrado en el estado de
   poder ser ejecutada, podría reemplazar a la tarea que actualmente
   se esté ejecutando.

 - pick_next_task(...)

   Esta función elige la tarea más apropiada para ser ejecutada a continuación.

 - set_curr_task(...)

   Esta función se llama cuando una tarea cambia su clase de gestión o
   cambia su grupo de tareas.

 - task_tick(...)

   Esta función es llamada la mayoría de las veces desde la función de tiempo
   tick; esto puede llevar a un cambio de procesos. Esto dirige el reemplazo
   de las tareas.


7.  EXTENSIONES DE GRUPOS PARA CFS
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Normalmente, el gestor de tareas gestiona tareas individuales e intenta
proporcionar una cantidad justa de CPU a cada tarea. Algunas veces, puede
ser deseable agrupar las tareas y proporcionarles una cantidad justa
de tiempo de CPU a cada una de las tareas de ese grupo. Por ejemplo,
podría ser deseable que primero se proporcione una cantidad justa de
tiempo de CPU a cada usuario del sistema y después a cada tarea
que pertenezca a un usuario.

CONFIG_CGROUP_SCHED destaca en conseguir exactamente eso. Permite a las
tareas ser agrupadas y divide el tiempo de CPU de forma just entre esos
grupos.

CONFIG_RT_GROUP_SCHED permite agrupar tareas de tiempo real (i.e.,
SCHED_FIFO y SCHED_RR).

CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED permite agrupar tareas de CFS (i.e., SCHED_NORMAL y
SCHED_BATCH).

Estas opciones necesitan CONFIG_CGROUPS para ser definidas, y permitir
al administrador crear grupos arbitrarios de tareas, usando el pseudo
sistema de archivos "cgroup". Vease la documentación para más información
sobre este sistema de archivos: Documentation/admin-guide/cgroup-v1/cgroups.rst

Cuando CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED es definido, un archivo
"cpu.shares" es creado por cada grupo creado usado en el pseudo
sistema de archivos. Véanse por ejemplo los pasos a continuación
para crear grupos de tareas y modificar cuanto comparten de la CPU
usando el pseudo sistema de archivos "cgroup" ::

	# mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
	# mkdir /sys/fs/cgroup/cpu
	# mount -t cgroup -ocpu none /sys/fs/cgroup/cpu
	# cd /sys/fs/cgroup/cpu

	# mkdir multimedia	# crear un grupo de tareas "multimedia"
	# mkdir browser 	# crear un grupo de tareas "browser"

	# #Configurar el grupo multimedia para tener el doble de tiempo de CPU
	# #que el grupo browser

	# echo 2048 > multimedia/cpu.shares
	# echo 1024 > browser/cpu.shares

	# firefox &	# Lanzar firefox y moverlo al grupo "browser"
	# echo <firefox_pid> > browser/tasks

	# #Lanzar gmplayer (o su programa favorito de reproducción de películas)
	# echo <movie_player_pid> > multimedia/tasks