Documentation/scheduler/sched-rt-group.rst

   1 ==========================
   2 Real-Time group scheduling
   3 ==========================
   4
   5 .. CONTENTS
   6
   7    0. WARNING
   8    1. Overview
   9      1.1 The problem
  10      1.2 The solution
  11    2. The interface
  12      2.1 System-wide settings
  13      2.2 Default behaviour
  14      2.3 Basis for grouping tasks
  15    3. Future plans
  16
  17
  18 0. WARNING
  19 ==========
  20
  21  Fiddling with these settings can result in an unstable system, the knobs are
  22  root only and assumes root knows what he is doing.
  23
  24 Most notable:
  25
  26  * very small values in sched_rt_period_us can result in an unstable
  27    system when the period is smaller than either the available hrtimer
  28    resolution, or the time it takes to handle the budget refresh itself.
  29
  30  * very small values in sched_rt_runtime_us can result in an unstable
  31    system when the runtime is so small the system has difficulty making
  32    forward progress (NOTE: the migration thread and kstopmachine both
  33    are real-time processes).
  34
  35 1. Overview
  36 ===========
  37
  38
  39 1.1 The problem
  40 ---------------
  41
  42 Realtime scheduling is all about determinism, a group has to be able to rely on
  43 the amount of bandwidth (eg. CPU time) being constant. In order to schedule
  44 multiple groups of realtime tasks, each group must be assigned a fixed portion
  45 of the CPU time available.  Without a minimum guarantee a realtime group can
  46 obviously fall short. A fuzzy upper limit is of no use since it cannot be
  47 relied upon. Which leaves us with just the single fixed portion.
  48
  49 1.2 The solution
  50 ----------------
  51
  52 CPU time is divided by means of specifying how much time can be spent running
  53 in a given period. We allocate this "run time" for each realtime group which
  54 the other realtime groups will not be permitted to use.
  55
  56 Any time not allocated to a realtime group will be used to run normal priority
  57 tasks (SCHED_OTHER). Any allocated run time not used will also be picked up by
  58 SCHED_OTHER.
  59
  60 Let's consider an example: a frame fixed realtime renderer must deliver 25
  61 frames a second, which yields a period of 0.04s per frame. Now say it will also
  62 have to play some music and respond to input, leaving it with around 80% CPU
  63 time dedicated for the graphics. We can then give this group a run time of 0.8
  64 * 0.04s = 0.032s.
  65
  66 This way the graphics group will have a 0.04s period with a 0.032s run time
  67 limit. Now if the audio thread needs to refill the DMA buffer every 0.005s, but
  68 needs only about 3% CPU time to do so, it can do with a 0.03 * 0.005s =
  69 0.00015s. So this group can be scheduled with a period of 0.005s and a run time
  70 of 0.00015s.
  71
  72 The remaining CPU time will be used for user input and other tasks. Because
  73 realtime tasks have explicitly allocated the CPU time they need to perform
  74 their tasks, buffer underruns in the graphics or audio can be eliminated.
  75
  76 NOTE: the above example is not fully implemented yet. We still
  77 lack an EDF scheduler to make non-uniform periods usable.
  78
  79
  80 2. The Interface
  81 ================
  82
  83
  84 2.1 System wide settings
  85 ------------------------
  86
  87 The system wide settings are configured under the /proc virtual file system:
  88
  89 /proc/sys/kernel/sched_rt_period_us:
  90   The scheduling period that is equivalent to 100% CPU bandwidth
  91
  92 /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us:
  93   A global limit on how much time realtime scheduling may use.  Even without
  94   CONFIG_RT_GROUP_SCHED enabled, this will limit time reserved to realtime
  95   processes. With CONFIG_RT_GROUP_SCHED it signifies the total bandwidth
  96   available to all realtime groups.
  97
  98   * Time is specified in us because the interface is s32. This gives an
  99     operating range from 1us to about 35 minutes.
 100   * sched_rt_period_us takes values from 1 to INT_MAX.
 101   * sched_rt_runtime_us takes values from -1 to (INT_MAX - 1).
 102   * A run time of -1 specifies runtime == period, ie. no limit.
 103
 104
 105 2.2 Default behaviour
 106 ---------------------
 107
 108 The default values for sched_rt_period_us (1000000 or 1s) and
 109 sched_rt_runtime_us (950000 or 0.95s).  This gives 0.05s to be used by
 110 SCHED_OTHER (non-RT tasks). These defaults were chosen so that a run-away
 111 realtime tasks will not lock up the machine but leave a little time to recover
 112 it.  By setting runtime to -1 you'd get the old behaviour back.
 113
 114 By default all bandwidth is assigned to the root group and new groups get the
 115 period from /proc/sys/kernel/sched_rt_period_us and a run time of 0. If you
 116 want to assign bandwidth to another group, reduce the root group's bandwidth
 117 and assign some or all of the difference to another group.
 118
 119 Realtime group scheduling means you have to assign a portion of total CPU
 120 bandwidth to the group before it will accept realtime tasks. Therefore you will
 121 not be able to run realtime tasks as any user other than root until you have
 122 done that, even if the user has the rights to run processes with realtime
 123 priority!
 124
 125
 126 2.3 Basis for grouping tasks
 127 ----------------------------
 128
 129 Enabling CONFIG_RT_GROUP_SCHED lets you explicitly allocate real
 130 CPU bandwidth to task groups.
 131
 132 This uses the cgroup virtual file system and "<cgroup>/cpu.rt_runtime_us"
 133 to control the CPU time reserved for each control group.
 134
 135 For more information on working with control groups, you should read
 136 Documentation/admin-guide/cgroup-v1/cgroups.rst as well.
 137
 138 Group settings are checked against the following limits in order to keep the
 139 configuration schedulable:
 140
 141    \Sum_{i} runtime_{i} / global_period <= global_runtime / global_period
 142
 143 For now, this can be simplified to just the following (but see Future plans):
 144
 145    \Sum_{i} runtime_{i} <= global_runtime
 146
 147
 148 3. Future plans
 149 ===============
 150
 151 There is work in progress to make the scheduling period for each group
 152 ("<cgroup>/cpu.rt_period_us") configurable as well.
 153
 154 The constraint on the period is that a subgroup must have a smaller or
 155 equal period to its parent. But realistically its not very useful _yet_
 156 as its prone to starvation without deadline scheduling.
 157
 158 Consider two sibling groups A and B; both have 50% bandwidth, but A's
 159 period is twice the length of B's.
 160
 161 * group A: period=100000us, runtime=50000us
 162
 163         - this runs for 0.05s once every 0.1s
 164
 165 * group B: period= 50000us, runtime=25000us
 166
 167         - this runs for 0.025s twice every 0.1s (or once every 0.05 sec).
 168
 169 This means that currently a while (1) loop in A will run for the full period of
 170 B and can starve B's tasks (assuming they are of lower priority) for a whole
 171 period.
 172
 173 The next project will be SCHED_EDF (Earliest Deadline First scheduling) to bring
 174 full deadline scheduling to the linux kernel. Deadline scheduling the above
 175 groups and treating end of the period as a deadline will ensure that they both
 176 get their allocated time.
 177
 178 Implementing SCHED_EDF might take a while to complete. Priority Inheritance is
 179 the biggest challenge as the current linux PI infrastructure is geared towards
 180 the limited static priority levels 0-99. With deadline scheduling you need to
 181 do deadline inheritance (since priority is inversely proportional to the
 182 deadline delta (deadline - now)).
 183
 184 This means the whole PI machinery will have to be reworked - and that is one of
 185 the most complex pieces of code we have.