Linux 4.8.3
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / timers / NO_HZ.txt
blob6eaf576294f3bbd0d4d7d992fc17522edc723d48
1                 NO_HZ: Reducing Scheduling-Clock Ticks
4 This document describes Kconfig options and boot parameters that can
5 reduce the number of scheduling-clock interrupts, thereby improving energy
6 efficiency and reducing OS jitter.  Reducing OS jitter is important for
7 some types of computationally intensive high-performance computing (HPC)
8 applications and for real-time applications.
10 There are three main ways of managing scheduling-clock interrupts
11 (also known as "scheduling-clock ticks" or simply "ticks"):
13 1.      Never omit scheduling-clock ticks (CONFIG_HZ_PERIODIC=y or
14         CONFIG_NO_HZ=n for older kernels).  You normally will -not-
15         want to choose this option.
17 2.      Omit scheduling-clock ticks on idle CPUs (CONFIG_NO_HZ_IDLE=y or
18         CONFIG_NO_HZ=y for older kernels).  This is the most common
19         approach, and should be the default.
21 3.      Omit scheduling-clock ticks on CPUs that are either idle or that
22         have only one runnable task (CONFIG_NO_HZ_FULL=y).  Unless you
23         are running realtime applications or certain types of HPC
24         workloads, you will normally -not- want this option.
26 These three cases are described in the following three sections, followed
27 by a third section on RCU-specific considerations, a fourth section
28 discussing testing, and a fifth and final section listing known issues.
31 NEVER OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS
33 Very old versions of Linux from the 1990s and the very early 2000s
34 are incapable of omitting scheduling-clock ticks.  It turns out that
35 there are some situations where this old-school approach is still the
36 right approach, for example, in heavy workloads with lots of tasks
37 that use short bursts of CPU, where there are very frequent idle
38 periods, but where these idle periods are also quite short (tens or
39 hundreds of microseconds).  For these types of workloads, scheduling
40 clock interrupts will normally be delivered any way because there
41 will frequently be multiple runnable tasks per CPU.  In these cases,
42 attempting to turn off the scheduling clock interrupt will have no effect
43 other than increasing the overhead of switching to and from idle and
44 transitioning between user and kernel execution.
46 This mode of operation can be selected using CONFIG_HZ_PERIODIC=y (or
47 CONFIG_NO_HZ=n for older kernels).
49 However, if you are instead running a light workload with long idle
50 periods, failing to omit scheduling-clock interrupts will result in
51 excessive power consumption.  This is especially bad on battery-powered
52 devices, where it results in extremely short battery lifetimes.  If you
53 are running light workloads, you should therefore read the following
54 section.
56 In addition, if you are running either a real-time workload or an HPC
57 workload with short iterations, the scheduling-clock interrupts can
58 degrade your applications performance.  If this describes your workload,
59 you should read the following two sections.
62 OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS FOR IDLE CPUs
64 If a CPU is idle, there is little point in sending it a scheduling-clock
65 interrupt.  After all, the primary purpose of a scheduling-clock interrupt
66 is to force a busy CPU to shift its attention among multiple duties,
67 and an idle CPU has no duties to shift its attention among.
69 The CONFIG_NO_HZ_IDLE=y Kconfig option causes the kernel to avoid sending
70 scheduling-clock interrupts to idle CPUs, which is critically important
71 both to battery-powered devices and to highly virtualized mainframes.
72 A battery-powered device running a CONFIG_HZ_PERIODIC=y kernel would
73 drain its battery very quickly, easily 2-3 times as fast as would the
74 same device running a CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernel.  A mainframe running
75 1,500 OS instances might find that half of its CPU time was consumed by
76 unnecessary scheduling-clock interrupts.  In these situations, there
77 is strong motivation to avoid sending scheduling-clock interrupts to
78 idle CPUs.  That said, dyntick-idle mode is not free:
80 1.      It increases the number of instructions executed on the path
81         to and from the idle loop.
83 2.      On many architectures, dyntick-idle mode also increases the
84         number of expensive clock-reprogramming operations.
86 Therefore, systems with aggressive real-time response constraints often
87 run CONFIG_HZ_PERIODIC=y kernels (or CONFIG_NO_HZ=n for older kernels)
88 in order to avoid degrading from-idle transition latencies.
90 An idle CPU that is not receiving scheduling-clock interrupts is said to
91 be "dyntick-idle", "in dyntick-idle mode", "in nohz mode", or "running
92 tickless".  The remainder of this document will use "dyntick-idle mode".
94 There is also a boot parameter "nohz=" that can be used to disable
95 dyntick-idle mode in CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernels by specifying "nohz=off".
96 By default, CONFIG_NO_HZ_IDLE=y kernels boot with "nohz=on", enabling
97 dyntick-idle mode.
100 OMIT SCHEDULING-CLOCK TICKS FOR CPUs WITH ONLY ONE RUNNABLE TASK
102 If a CPU has only one runnable task, there is little point in sending it
103 a scheduling-clock interrupt because there is no other task to switch to.
104 Note that omitting scheduling-clock ticks for CPUs with only one runnable
105 task implies also omitting them for idle CPUs.
107 The CONFIG_NO_HZ_FULL=y Kconfig option causes the kernel to avoid
108 sending scheduling-clock interrupts to CPUs with a single runnable task,
109 and such CPUs are said to be "adaptive-ticks CPUs".  This is important
110 for applications with aggressive real-time response constraints because
111 it allows them to improve their worst-case response times by the maximum
112 duration of a scheduling-clock interrupt.  It is also important for
113 computationally intensive short-iteration workloads:  If any CPU is
114 delayed during a given iteration, all the other CPUs will be forced to
115 wait idle while the delayed CPU finishes.  Thus, the delay is multiplied
116 by one less than the number of CPUs.  In these situations, there is
117 again strong motivation to avoid sending scheduling-clock interrupts.
119 By default, no CPU will be an adaptive-ticks CPU.  The "nohz_full="
120 boot parameter specifies the adaptive-ticks CPUs.  For example,
121 "nohz_full=1,6-8" says that CPUs 1, 6, 7, and 8 are to be adaptive-ticks
122 CPUs.  Note that you are prohibited from marking all of the CPUs as
123 adaptive-tick CPUs:  At least one non-adaptive-tick CPU must remain
124 online to handle timekeeping tasks in order to ensure that system
125 calls like gettimeofday() returns accurate values on adaptive-tick CPUs.
126 (This is not an issue for CONFIG_NO_HZ_IDLE=y because there are no running
127 user processes to observe slight drifts in clock rate.)  Therefore, the
128 boot CPU is prohibited from entering adaptive-ticks mode.  Specifying a
129 "nohz_full=" mask that includes the boot CPU will result in a boot-time
130 error message, and the boot CPU will be removed from the mask.  Note that
131 this means that your system must have at least two CPUs in order for
132 CONFIG_NO_HZ_FULL=y to do anything for you.
134 Alternatively, the CONFIG_NO_HZ_FULL_ALL=y Kconfig parameter specifies
135 that all CPUs other than the boot CPU are adaptive-ticks CPUs.  This
136 Kconfig parameter will be overridden by the "nohz_full=" boot parameter,
137 so that if both the CONFIG_NO_HZ_FULL_ALL=y Kconfig parameter and
138 the "nohz_full=1" boot parameter is specified, the boot parameter will
139 prevail so that only CPU 1 will be an adaptive-ticks CPU.
141 Finally, adaptive-ticks CPUs must have their RCU callbacks offloaded.
142 This is covered in the "RCU IMPLICATIONS" section below.
144 Normally, a CPU remains in adaptive-ticks mode as long as possible.
145 In particular, transitioning to kernel mode does not automatically change
146 the mode.  Instead, the CPU will exit adaptive-ticks mode only if needed,
147 for example, if that CPU enqueues an RCU callback.
149 Just as with dyntick-idle mode, the benefits of adaptive-tick mode do
150 not come for free:
152 1.      CONFIG_NO_HZ_FULL selects CONFIG_NO_HZ_COMMON, so you cannot run
153         adaptive ticks without also running dyntick idle.  This dependency
154         extends down into the implementation, so that all of the costs
155         of CONFIG_NO_HZ_IDLE are also incurred by CONFIG_NO_HZ_FULL.
157 2.      The user/kernel transitions are slightly more expensive due
158         to the need to inform kernel subsystems (such as RCU) about
159         the change in mode.
161 3.      POSIX CPU timers prevent CPUs from entering adaptive-tick mode.
162         Real-time applications needing to take actions based on CPU time
163         consumption need to use other means of doing so.
165 4.      If there are more perf events pending than the hardware can
166         accommodate, they are normally round-robined so as to collect
167         all of them over time.  Adaptive-tick mode may prevent this
168         round-robining from happening.  This will likely be fixed by
169         preventing CPUs with large numbers of perf events pending from
170         entering adaptive-tick mode.
172 5.      Scheduler statistics for adaptive-tick CPUs may be computed
173         slightly differently than those for non-adaptive-tick CPUs.
174         This might in turn perturb load-balancing of real-time tasks.
176 6.      The LB_BIAS scheduler feature is disabled by adaptive ticks.
178 Although improvements are expected over time, adaptive ticks is quite
179 useful for many types of real-time and compute-intensive applications.
180 However, the drawbacks listed above mean that adaptive ticks should not
181 (yet) be enabled by default.
184 RCU IMPLICATIONS
186 There are situations in which idle CPUs cannot be permitted to
187 enter either dyntick-idle mode or adaptive-tick mode, the most
188 common being when that CPU has RCU callbacks pending.
190 The CONFIG_RCU_FAST_NO_HZ=y Kconfig option may be used to cause such CPUs
191 to enter dyntick-idle mode or adaptive-tick mode anyway.  In this case,
192 a timer will awaken these CPUs every four jiffies in order to ensure
193 that the RCU callbacks are processed in a timely fashion.
195 Another approach is to offload RCU callback processing to "rcuo" kthreads
196 using the CONFIG_RCU_NOCB_CPU=y Kconfig option.  The specific CPUs to
197 offload may be selected via several methods:
199 1.      One of three mutually exclusive Kconfig options specify a
200         build-time default for the CPUs to offload:
202         a.      The CONFIG_RCU_NOCB_CPU_NONE=y Kconfig option results in
203                 no CPUs being offloaded.
205         b.      The CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ZERO=y Kconfig option causes
206                 CPU 0 to be offloaded.
208         c.      The CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ALL=y Kconfig option causes all
209                 CPUs to be offloaded.  Note that the callbacks will be
210                 offloaded to "rcuo" kthreads, and that those kthreads
211                 will in fact run on some CPU.  However, this approach
212                 gives fine-grained control on exactly which CPUs the
213                 callbacks run on, along with their scheduling priority
214                 (including the default of SCHED_OTHER), and it further
215                 allows this control to be varied dynamically at runtime.
217 2.      The "rcu_nocbs=" kernel boot parameter, which takes a comma-separated
218         list of CPUs and CPU ranges, for example, "1,3-5" selects CPUs 1,
219         3, 4, and 5.  The specified CPUs will be offloaded in addition to
220         any CPUs specified as offloaded by CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ZERO=y or
221         CONFIG_RCU_NOCB_CPU_ALL=y.  This means that the "rcu_nocbs=" boot
222         parameter has no effect for kernels built with RCU_NOCB_CPU_ALL=y.
224 The offloaded CPUs will never queue RCU callbacks, and therefore RCU
225 never prevents offloaded CPUs from entering either dyntick-idle mode
226 or adaptive-tick mode.  That said, note that it is up to userspace to
227 pin the "rcuo" kthreads to specific CPUs if desired.  Otherwise, the
228 scheduler will decide where to run them, which might or might not be
229 where you want them to run.
232 TESTING
234 So you enable all the OS-jitter features described in this document,
235 but do not see any change in your workload's behavior.  Is this because
236 your workload isn't affected that much by OS jitter, or is it because
237 something else is in the way?  This section helps answer this question
238 by providing a simple OS-jitter test suite, which is available on branch
239 master of the following git archive:
241 git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/frederic/dynticks-testing.git
243 Clone this archive and follow the instructions in the README file.
244 This test procedure will produce a trace that will allow you to evaluate
245 whether or not you have succeeded in removing OS jitter from your system.
246 If this trace shows that you have removed OS jitter as much as is
247 possible, then you can conclude that your workload is not all that
248 sensitive to OS jitter.
250 Note: this test requires that your system have at least two CPUs.
251 We do not currently have a good way to remove OS jitter from single-CPU
252 systems.
255 KNOWN ISSUES
257 o       Dyntick-idle slows transitions to and from idle slightly.
258         In practice, this has not been a problem except for the most
259         aggressive real-time workloads, which have the option of disabling
260         dyntick-idle mode, an option that most of them take.  However,
261         some workloads will no doubt want to use adaptive ticks to
262         eliminate scheduling-clock interrupt latencies.  Here are some
263         options for these workloads:
265         a.      Use PMQOS from userspace to inform the kernel of your
266                 latency requirements (preferred).
268         b.      On x86 systems, use the "idle=mwait" boot parameter.
270         c.      On x86 systems, use the "intel_idle.max_cstate=" to limit
271         `       the maximum C-state depth.
273         d.      On x86 systems, use the "idle=poll" boot parameter.
274                 However, please note that use of this parameter can cause
275                 your CPU to overheat, which may cause thermal throttling
276                 to degrade your latencies -- and that this degradation can
277                 be even worse than that of dyntick-idle.  Furthermore,
278                 this parameter effectively disables Turbo Mode on Intel
279                 CPUs, which can significantly reduce maximum performance.
281 o       Adaptive-ticks slows user/kernel transitions slightly.
282         This is not expected to be a problem for computationally intensive
283         workloads, which have few such transitions.  Careful benchmarking
284         will be required to determine whether or not other workloads
285         are significantly affected by this effect.
287 o       Adaptive-ticks does not do anything unless there is only one
288         runnable task for a given CPU, even though there are a number
289         of other situations where the scheduling-clock tick is not
290         needed.  To give but one example, consider a CPU that has one
291         runnable high-priority SCHED_FIFO task and an arbitrary number
292         of low-priority SCHED_OTHER tasks.  In this case, the CPU is
293         required to run the SCHED_FIFO task until it either blocks or
294         some other higher-priority task awakens on (or is assigned to)
295         this CPU, so there is no point in sending a scheduling-clock
296         interrupt to this CPU.  However, the current implementation
297         nevertheless sends scheduling-clock interrupts to CPUs having a
298         single runnable SCHED_FIFO task and multiple runnable SCHED_OTHER
299         tasks, even though these interrupts are unnecessary.
301         And even when there are multiple runnable tasks on a given CPU,
302         there is little point in interrupting that CPU until the current
303         running task's timeslice expires, which is almost always way
304         longer than the time of the next scheduling-clock interrupt.
306         Better handling of these sorts of situations is future work.
308 o       A reboot is required to reconfigure both adaptive idle and RCU
309         callback offloading.  Runtime reconfiguration could be provided
310         if needed, however, due to the complexity of reconfiguring RCU at
311         runtime, there would need to be an earthshakingly good reason.
312         Especially given that you have the straightforward option of
313         simply offloading RCU callbacks from all CPUs and pinning them
314         where you want them whenever you want them pinned.
316 o       Additional configuration is required to deal with other sources
317         of OS jitter, including interrupts and system-utility tasks
318         and processes.  This configuration normally involves binding
319         interrupts and tasks to particular CPUs.
321 o       Some sources of OS jitter can currently be eliminated only by
322         constraining the workload.  For example, the only way to eliminate
323         OS jitter due to global TLB shootdowns is to avoid the unmapping
324         operations (such as kernel module unload operations) that
325         result in these shootdowns.  For another example, page faults
326         and TLB misses can be reduced (and in some cases eliminated) by
327         using huge pages and by constraining the amount of memory used
328         by the application.  Pre-faulting the working set can also be
329         helpful, especially when combined with the mlock() and mlockall()
330         system calls.
332 o       Unless all CPUs are idle, at least one CPU must keep the
333         scheduling-clock interrupt going in order to support accurate
334         timekeeping.
336 o       If there might potentially be some adaptive-ticks CPUs, there
337         will be at least one CPU keeping the scheduling-clock interrupt
338         going, even if all CPUs are otherwise idle.
340         Better handling of this situation is ongoing work.
342 o       Some process-handling operations still require the occasional
343         scheduling-clock tick.  These operations include calculating CPU
344         load, maintaining sched average, computing CFS entity vruntime,
345         computing avenrun, and carrying out load balancing.  They are
346         currently accommodated by scheduling-clock tick every second
347         or so.  On-going work will eliminate the need even for these
348         infrequent scheduling-clock ticks.