PDF de programación - Funcionamiento del kernel: CPU y memoria

Kernel: CPU y Memoria

Diseño y Evaluación de Configuraciones

Curso 2012-13

Miguel Telleria de Esteban

telleriam AT unican.es

Computadores y Tiempo Real

http://www.ctr.unican.es

Uso de CPU y planificación

Computadores y Tiempo Real
Universidad de Cantabria

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Procesos y Threads

POSIX API: fork(), getpid(), pthread_create()

fork()

GLIBC

Proceso 1
thread 1

pid 1

Proceso 2

pid 2
thread 2
pthread_create()

p

thread 3
pid 3

SYSCALLS: clone, getpid, gettid

KERNEL
SCHEDULER

task 1

pid 1

task 2

pid 2

task 3

pid 3

VMA A

MMU

VMA B

● GNU/Linux soporta procesos y

threads
● Procesos: Espacio de memoria

propio

● Threads: Espacio de memoria

compartido

● Para el kernel procesos y

threads se planifican
indistintamente:
● PID
● Política de planificación
● Prioridad
● Afinidad
● Estadísticas
● Relojes de ejecución

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Planificador de Linux

Desde el 2.6.23 (2007) CFS: Completely Fair Scheduler

Jerarquia I Real Time:

- Baja latencia (para alta prioridad)
- Bajas prioridades pueden no ejecutar
- SCHED_RR: Timeslice fija para todos
- SCHED_FIFO: Hasta que no termine no para

SCHED_FIFO

SCHED_RR

Jerarquia II: Timeshare

SCHED_OTHER

TASKs
(rbtree)

- Alto throughput “para todos”
- Todas las tareas tiene garantizada la CPU
- SCHED_OTHER: Round-robin con timeslice inversamente proporcional al nice

Multicores: Balanceo de carga periódico segun afinidad

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Parámetros de planificación de CPU en Linux

● Policy: Política de planificación

● SCHED_OTHER o SCHED_NORMAL: Por defecto, round-robin con timeslice

variable

● SCHED_RR: POSIX Real-Time: Round robin con timeslice fija
● SCHED_FIFO: POSIX Real Time: prioridades fijas
Las políticas SCHED_FIFO y SCHED_RR tienen prioridad sobre
SCHED_OTHER.

● Nice: Avaricia del proceso

● Sólo se usa en SCHED_OTHER, se ignora para real time
● Oscila entre: (-20 valor más prioritario y 19), por defecto 0
rt-priority: Nivel de preempción
● Se usa en SCHED_RR y SCHED_FIFO, ignorada en SCHED_OTHER

●

● Máscara de afinidad

● Define en que CPU(s) un proceso admite ser ejecutado

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Nice y nivel de preempcion entremezcladas
● 100 – 139 valor inverso a la prioridad (100 más prioritario)

– Donde: PROCFS: /proc/<pid>/sched (prio).
– NOTA: Cuando se cambia a RT este valor permanece igual (pero es ignorado)

● 0 – 99 creciente en prioridad (sólo en SCHED_FIFO, SCHED_RR)

– Donde

● chrt -p <pid>
● API's de POSIX (set_sched_param)

●

-20 a 19 (SCHED_OTHER) orden inverso a prioridad
– Donde:

● Htop,
● chrt -p <pid>
● Gnome-system-monitor

● 0 – 39 (SCHED_OTHER) orden inverso a la prioridad

– Donde:
● top

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Asignación de prioridad y política desde consola
● Comando chrt

● Vemos en que prioridad corre: Usamos -p para el pid

– chrt -p 16951

pid 16951's current scheduling policy: SCHED_OTHER
pid 16951's current scheduling priority: 0

● Pasamos a SCHED_FIFO prioridad alta 80/90 -p para prioridad

– chrt –fifo -p 80 169510
– chrt -p 16951

pid 16951's current scheduling policy: SCHED_FIFO
pid 16951's current scheduling priority: 80

● Vuelta a SCHED_OTHER con nice a 0 (valor por defecto)

– chrt –other -p 0 16951

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Afinidad

● La afinidad se representa mediante una máscara binaria

● CPU 0: 1 CPU 1: 2 CPU 3: 4 CPU 4: 8
● Valor 3: CPU's 0 y 1

...

● Asignación y obtención desde consola (parecido al chrt)

● Se obtiene con taskset -p <pid>

– Taskset -p 16951

pid 16951's current affinity mask: f

● Se asigna con taskset -p <mascara> <pid>

taskset -p 1 16951
–
– Taskset -p 16951

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Estados de un thread en el tiempo

● En un instante dado un thread puede estar:

● R Running
● S Sleep: Suspendido en un wait() o sleep(). Se le puede interrumpir
● D Uninterruptible sleep (tipicamente disk IO). Sólo se le interrumpe con kill -9
● T Traceado en debug
● Z Zombie, difunto:

–

A la espera de que el padre les espere (o muera y sean esperados por init)

● Además puede tener las siguientes añadidos (ej ps):

● < Valor nice negativo, (avaricioso)
● N Valor nice positivo, (generoso)
● L Mantiene páginas en memoria bloqueadas

●

Tiene pthreads asociados
Lider de sesión: Proceso que controla el terminal

l
● s
● + Pertenece al foreground-process-group

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CPU ocupada sin ningún thread de usuario
● Existen situaciones en el que el kernel tiene la CPU ocupada sin

ejecutar ningún código o servicio de usuario.
● Atendiendo a una interrupción hardware (ej. timer)

– Top half (irq ISR)
– Bottom half (workqueue, tasklet, softirq)

● Atendiendo a una interrupción software (ej page-fault + swap)
● Ejecutando tareas de mantenimiento:

– Actualizando páginas sucias de la page-cache al disco
– Balanceando la carga de los multicores

● Respondiendo a necesidades de emergencia
– Liberando memoria de caches o de procesos
– Usando la swap del disco

● Realizando cambios de contexto
● No realizando nada (idle)

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Funcionamiento de la memoria

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Paginación en Linux

● Hardware MMU (Memory management unit) provee:

● Manejo en bloques de páginas (típicamente 4k en i386).
● Mapeados de direcciones (i386: tablas PGPT, PMD, PTE)
● Detección de fallos de página (acceso a páginas no mapeadas)
● Permisos de lectura / escritura / ejecución
● TLB: Cache de traducción de páginas

● El S.O. (linux) ha de programar todo ello:

● Maneja un bitmap de todas las páginas de memoria.
● Actualiza las tablas en los cambios de contexto: Espacios de memoria
● Utiliza los fallos de página para

– Detectar accesos prohibidos
–

Implementar paginación bajo demanda
Implementar cache memoria ↔ disco
Implementar espacio swap

–

–

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Distribución de la memoria física en Linux

● Páginas para el kernel mismo:

● El fichero vmlinuz se carga permanentemente en memoria
● Los módulos se cargan bajo demanda (y se quedan permanentes mientras no se quite el módulo)
● Losas (slab) estructuras pre-allocated (inodos, descriptores de procesos, página...)

– Cada losa ocupa menos que una página, por lo que el kernel maneja su reuso).
– Parte de estos objetos se cachean (inode cache, dentry cache)

● Páginas para los procesos (de usuario y de kernel)
● Código ejecutable (text) (compartido con otros procesos)
● Datos estáticos (data)
● Stack y thread-level-storage (bss)
● Heap

● Páginas de caché de disco (page_cache)

● Caché: Contenido real de disco
● Buffers: Metadata de los inodos (timestamps, permisos...)

● Pool de páginas libres

● Para satisfacer rápidamente peticiones urgentes

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Memoria asociada a un proceso

● El kernel define zonas de memoria VMA para los procesos

● Puede estar mapeada a un fichero o ser anónima
● Tiene asociados permisos de ejecución, lectura y/o escritura
● Puede estar compartida o no con otros procesos

pmap 3070

08048000 3152K r-x-- /usr/bin/claws-mail
0835c000 160K rw--- /usr/bin/claws-mail
08384000 80K rw--- [ anon ]
0a372000 42372K rw--- [ anon ]
aad3e000 8620K r---- /usr/share/icons/hicolor/icon-theme.cache
ab5a9000 48536K r---- /usr/share/icons/gnome/icon-theme.cache
ae50f000 4K ----- [ anon ]
afd13000 8192K rw--- [ anon ]
b0513000 112K r--s- /usr/share/mime/mime.cache
b0d9a000 48536K r---- /usr/share/icons/gnome/icon-theme.cache
b3d00000 2048K rw--- [ anon ]
b469b000 8192K rw--- [ anon ]
b4e9b000 484K r-x-- /usr/lib/claws-mail/plugins/vcalendar.so
b4f14000 40K rw--- /usr/lib/claws-mail/plugins/vcalendar.so

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Linux intenta usar la máxima memoria

¡¡ Memoria sin usar es memoria desperdiciada !!

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¿Cual es entonces la “memoria disponible”?

● Rule of thumb: Libre + page-cache

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Mig