Linux 3.15-rc1
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / scheduler / sched-deadline.txt
blob18adc92a6b3b9ecac115965443d622128f2467e4
1                           Deadline Task Scheduling
2                           ------------------------
4 CONTENTS
5 ========
7  0. WARNING
8  1. Overview
9  2. Scheduling algorithm
10  3. Scheduling Real-Time Tasks
11  4. Bandwidth management
12    4.1 System-wide settings
13    4.2 Task interface
14    4.3 Default behavior
15  5. Tasks CPU affinity
16    5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
17  6. Future plans
20 0. WARNING
21 ==========
23  Fiddling with these settings can result in an unpredictable or even unstable
24  system behavior. As for -rt (group) scheduling, it is assumed that root users
25  know what they're doing.
28 1. Overview
29 ===========
31  The SCHED_DEADLINE policy contained inside the sched_dl scheduling class is
32  basically an implementation of the Earliest Deadline First (EDF) scheduling
33  algorithm, augmented with a mechanism (called Constant Bandwidth Server, CBS)
34  that makes it possible to isolate the behavior of tasks between each other.
37 2. Scheduling algorithm
38 ==================
40  SCHED_DEADLINE uses three parameters, named "runtime", "period", and
41  "deadline" to schedule tasks. A SCHED_DEADLINE task is guaranteed to receive
42  "runtime" microseconds of execution time every "period" microseconds, and
43  these "runtime" microseconds are available within "deadline" microseconds
44  from the beginning of the period.  In order to implement this behaviour,
45  every time the task wakes up, the scheduler computes a "scheduling deadline"
46  consistent with the guarantee (using the CBS[2,3] algorithm). Tasks are then
47  scheduled using EDF[1] on these scheduling deadlines (the task with the
48  smallest scheduling deadline is selected for execution). Notice that this
49  guaranteed is respected if a proper "admission control" strategy (see Section
50  "4. Bandwidth management") is used.
52  Summing up, the CBS[2,3] algorithms assigns scheduling deadlines to tasks so
53  that each task runs for at most its runtime every period, avoiding any
54  interference between different tasks (bandwidth isolation), while the EDF[1]
55  algorithm selects the task with the smallest scheduling deadline as the one
56  to be executed first.  Thanks to this feature, also tasks that do not
57  strictly comply with the "traditional" real-time task model (see Section 3)
58  can effectively use the new policy.
60  In more details, the CBS algorithm assigns scheduling deadlines to
61  tasks in the following way:
63   - Each SCHED_DEADLINE task is characterised by the "runtime",
64     "deadline", and "period" parameters;
66   - The state of the task is described by a "scheduling deadline", and
67     a "current runtime". These two parameters are initially set to 0;
69   - When a SCHED_DEADLINE task wakes up (becomes ready for execution),
70     the scheduler checks if
72                     current runtime                runtime
73          ---------------------------------- > ----------------
74          scheduling deadline - current time         period
76     then, if the scheduling deadline is smaller than the current time, or
77     this condition is verified, the scheduling deadline and the
78     current budget are re-initialised as
80          scheduling deadline = current time + deadline
81          current runtime = runtime
83     otherwise, the scheduling deadline and the current runtime are
84     left unchanged;
86   - When a SCHED_DEADLINE task executes for an amount of time t, its
87     current runtime is decreased as
89          current runtime = current runtime - t
91     (technically, the runtime is decreased at every tick, or when the
92     task is descheduled / preempted);
94   - When the current runtime becomes less or equal than 0, the task is
95     said to be "throttled" (also known as "depleted" in real-time literature)
96     and cannot be scheduled until its scheduling deadline. The "replenishment
97     time" for this task (see next item) is set to be equal to the current
98     value of the scheduling deadline;
100   - When the current time is equal to the replenishment time of a
101     throttled task, the scheduling deadline and the current runtime are
102     updated as
104          scheduling deadline = scheduling deadline + period
105          current runtime = current runtime + runtime
108 3. Scheduling Real-Time Tasks
109 =============================
111  * BIG FAT WARNING ******************************************************
113  * This section contains a (not-thorough) summary on classical deadline
114  * scheduling theory, and how it applies to SCHED_DEADLINE.
115  * The reader can "safely" skip to Section 4 if only interested in seeing
116  * how the scheduling policy can be used. Anyway, we strongly recommend
117  * to come back here and continue reading (once the urge for testing is
118  * satisfied :P) to be sure of fully understanding all technical details.
119  ************************************************************************
121  There are no limitations on what kind of task can exploit this new
122  scheduling discipline, even if it must be said that it is particularly
123  suited for periodic or sporadic real-time tasks that need guarantees on their
124  timing behavior, e.g., multimedia, streaming, control applications, etc.
126  A typical real-time task is composed of a repetition of computation phases
127  (task instances, or jobs) which are activated on a periodic or sporadic
128  fashion.
129  Each job J_j (where J_j is the j^th job of the task) is characterised by an
130  arrival time r_j (the time when the job starts), an amount of computation
131  time c_j needed to finish the job, and a job absolute deadline d_j, which
132  is the time within which the job should be finished. The maximum execution
133  time max_j{c_j} is called "Worst Case Execution Time" (WCET) for the task.
134  A real-time task can be periodic with period P if r_{j+1} = r_j + P, or
135  sporadic with minimum inter-arrival time P is r_{j+1} >= r_j + P. Finally,
136  d_j = r_j + D, where D is the task's relative deadline.
138  SCHED_DEADLINE can be used to schedule real-time tasks guaranteeing that
139  the jobs' deadlines of a task are respected. In order to do this, a task
140  must be scheduled by setting:
142   - runtime >= WCET
143   - deadline = D
144   - period <= P
146  IOW, if runtime >= WCET and if period is >= P, then the scheduling deadlines
147  and the absolute deadlines (d_j) coincide, so a proper admission control
148  allows to respect the jobs' absolute deadlines for this task (this is what is
149  called "hard schedulability property" and is an extension of Lemma 1 of [2]).
151  References:
152   1 - C. L. Liu and J. W. Layland. Scheduling algorithms for multiprogram-
153       ming in a hard-real-time environment. Journal of the Association for
154       Computing Machinery, 20(1), 1973.
155   2 - L. Abeni , G. Buttazzo. Integrating Multimedia Applications in Hard
156       Real-Time Systems. Proceedings of the 19th IEEE Real-time Systems
157       Symposium, 1998. http://retis.sssup.it/~giorgio/paps/1998/rtss98-cbs.pdf
158   3 - L. Abeni. Server Mechanisms for Multimedia Applications. ReTiS Lab
159       Technical Report. http://xoomer.virgilio.it/lucabe72/pubs/tr-98-01.ps
161 4. Bandwidth management
162 =======================
164  In order for the -deadline scheduling to be effective and useful, it is
165  important to have some method to keep the allocation of the available CPU
166  bandwidth to the tasks under control.
167  This is usually called "admission control" and if it is not performed at all,
168  no guarantee can be given on the actual scheduling of the -deadline tasks.
170  Since when RT-throttling has been introduced each task group has a bandwidth
171  associated, calculated as a certain amount of runtime over a period.
172  Moreover, to make it possible to manipulate such bandwidth, readable/writable
173  controls have been added to both procfs (for system wide settings) and cgroupfs
174  (for per-group settings).
175  Therefore, the same interface is being used for controlling the bandwidth
176  distrubution to -deadline tasks.
178  However, more discussion is needed in order to figure out how we want to manage
179  SCHED_DEADLINE bandwidth at the task group level. Therefore, SCHED_DEADLINE
180  uses (for now) a less sophisticated, but actually very sensible, mechanism to
181  ensure that a certain utilization cap is not overcome per each root_domain.
183  Another main difference between deadline bandwidth management and RT-throttling
184  is that -deadline tasks have bandwidth on their own (while -rt ones don't!),
185  and thus we don't need an higher level throttling mechanism to enforce the
186  desired bandwidth.
188 4.1 System wide settings
189 ------------------------
191  The system wide settings are configured under the /proc virtual file system.
193  For now the -rt knobs are used for dl admission control and the -deadline
194  runtime is accounted against the -rt runtime. We realise that this isn't
195  entirely desirable; however, it is better to have a small interface for now,
196  and be able to change it easily later. The ideal situation (see 5.) is to run
197  -rt tasks from a -deadline server; in which case the -rt bandwidth is a direct
198  subset of dl_bw.
200  This means that, for a root_domain comprising M CPUs, -deadline tasks
201  can be created while the sum of their bandwidths stays below:
203    M * (sched_rt_runtime_us / sched_rt_period_us)
205  It is also possible to disable this bandwidth management logic, and
206  be thus free of oversubscribing the system up to any arbitrary level.
207  This is done by writing -1 in /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us.
210 4.2 Task interface
211 ------------------
213  Specifying a periodic/sporadic task that executes for a given amount of
214  runtime at each instance, and that is scheduled according to the urgency of
215  its own timing constraints needs, in general, a way of declaring:
216   - a (maximum/typical) instance execution time,
217   - a minimum interval between consecutive instances,
218   - a time constraint by which each instance must be completed.
220  Therefore:
221   * a new struct sched_attr, containing all the necessary fields is
222     provided;
223   * the new scheduling related syscalls that manipulate it, i.e.,
224     sched_setattr() and sched_getattr() are implemented.
227 4.3 Default behavior
228 ---------------------
230  The default value for SCHED_DEADLINE bandwidth is to have rt_runtime equal to
231  950000. With rt_period equal to 1000000, by default, it means that -deadline
232  tasks can use at most 95%, multiplied by the number of CPUs that compose the
233  root_domain, for each root_domain.
235  A -deadline task cannot fork.
237 5. Tasks CPU affinity
238 =====================
240  -deadline tasks cannot have an affinity mask smaller that the entire
241  root_domain they are created on. However, affinities can be specified
242  through the cpuset facility (Documentation/cgroups/cpusets.txt).
244 5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
245 ------------------------------------
247  An example of a simple configuration (pin a -deadline task to CPU0)
248  follows (rt-app is used to create a -deadline task).
250  mkdir /dev/cpuset
251  mount -t cgroup -o cpuset cpuset /dev/cpuset
252  cd /dev/cpuset
253  mkdir cpu0
254  echo 0 > cpu0/cpuset.cpus
255  echo 0 > cpu0/cpuset.mems
256  echo 1 > cpuset.cpu_exclusive
257  echo 0 > cpuset.sched_load_balance
258  echo 1 > cpu0/cpuset.cpu_exclusive
259  echo 1 > cpu0/cpuset.mem_exclusive
260  echo $$ > cpu0/tasks
261  rt-app -t 100000:10000:d:0 -D5 (it is now actually superfluous to specify
262  task affinity)
264 6. Future plans
265 ===============
267  Still missing:
269   - refinements to deadline inheritance, especially regarding the possibility
270     of retaining bandwidth isolation among non-interacting tasks. This is
271     being studied from both theoretical and practical points of view, and
272     hopefully we should be able to produce some demonstrative code soon;
273   - (c)group based bandwidth management, and maybe scheduling;
274   - access control for non-root users (and related security concerns to
275     address), which is the best way to allow unprivileged use of the mechanisms
276     and how to prevent non-root users "cheat" the system?
278  As already discussed, we are planning also to merge this work with the EDF
279  throttling patches [https://lkml.org/lkml/2010/2/23/239] but we still are in
280  the preliminary phases of the merge and we really seek feedback that would
281  help us decide on the direction it should take.