[linux][调度] linux 下如何观察线程调度延时？

1 什么是调度延时

在实际业务中，大多数情况下，线程都不是一直占着 cpu 在运行的。在读写文件，收发网络数据时，可能会阻塞，阻塞就会进入睡眠，触发调度；在线程等待锁的时候，也可能会触发睡眠进而触发调度，释放 cpu；有时候，线程里边还会显式调用 sleep() 进行睡眠，这样也会让出 cpu。

以线程 sleep() 为例，比如我们睡眠时间是 1ms。理想情况下，线程睡眠 1ms 之后就应该一点不差的开始执行。但是实际情况不是这样的，线程睡眠 1ms 之后，往往不能立即被执行，而是会延时一段时间。从线程被唤醒，到线程被真正执行的这段时间就是延迟执行的时间，这段时间就被称作调度延时。

大部分应用的运行时序如下图所示。run 表示线程正在运行，sleep 表示线程在睡眠，wait 表示线程睡眠结束了，但是还没有被执行，处于等待状态。调度延时就是下图中 wait 持续的时间。

为什么会产生调度延时呢，为什么线程不能按我们预期的时序，在精确睡眠 1ms 之后就立即投入运行呢？

（1）cpu 还被占用着

当任务加入到运行队列中的时候，如果当前 cpu 还被其它任务占用着，那么刚唤醒的任务就不能立即运行，需要等当前的任务执行完毕之后，新任务才能被执行。

（2）需要在运行队列中排队

linux 中往往运行着很多应用，线程的个数远远大于 cpu 的个数。这样一个 cpu 核上就需要运行多个线程，多个线程就需要在运行队列中排队，交替执行。在运行队列中排队等待的时间也是调度延时的时间。

2 观测调度延时的方法

2.1 sched tracepoint

2.1.1 sched tracepoint 介绍

linux 内核提供了一个内核观测工具 tracepoint。关于 tracepoint，可以参考如下博客。

[linux][观测] ftrace，kprobe，tracepoint 入门

简单来说，tracepoint 就是内核在一些关键位置进行了埋点，当这些关键事件发生的时候，会打印一些信息。比如在内存管理方面，有 kmalloc 相关的埋点，在申请内存或者释放内存的时候，可以打印一些信息；在 tcp 协议栈中也有一些埋点，当 tcp 发生重传的时候，或者收到 rst 报文的时候，也可以打印对应的信息；在调度方面，当线程睡眠的时候以及线程被唤醒放入运行队列的时候，也可以打印信息。

tracepoint 在默认情况下是没有打开的，因为 tracepoint 会打印日志，多多少少会对性能产生影响。tracepoint 作为一种调试工具或者观测工具，当我们对某些事件感兴趣的时候，可以把对应的事件打开。

如下是调度相关的两个 tracepoint，sched_switch 和 sched_wakeup。当发生线程调度的时候，会触发 sched_switch 事件，当有线程被唤醒放入运行队列的时候，会触发 sched_wakeup 事件。

sched_switch 事件：

sched_switch 是当有线程切换的时候触发的事件。如下是当 sched_switch 触发的时候，打印的日志的格式，从前一个线程切换到下一个线程，可以看到主要的两个信息是 prev_pid 和 next_pid，prev_pid 是切换之前的线程 id，next_pid 是切换之后，下一个要运行的线程 pid。

sched_wakeup 事件：

sched_wakeup 是当有线程从睡眠态被唤醒，将线程放到运行队列的时候触发的事件。如下图所示，主要的信息包括 pid，表示唤醒的是哪个任务，target_cpu 表示这个线程唤醒之后放到了哪个 cpu 上。

sched tracepoint 是观测调度延时的基础，本文后边介绍的内核模块的方式以及 perf sched 方法，工作基础也是 sched tracepoint。

2.1.2 使用 sched tracepoint

从上边的分析可以看出来，当线程被唤醒的时候会触发 sched_wakeup 事件；当线程真正被执行的时候会触发 sched_switch 事件，并且这个时候 sched_switch 打印信息中的 next_pid 是我们关心的 pid。打印日志中包含事件发生的时间，我们通过 sched_switch 和 sched_wakeup 的时间差，就可以计算出来调度延时。

使用如下代码作为观测的代码，代码中是一个 while(1) 死循环，死循环中睡眠 100ms。也就是每 100ms 调度一次。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  while (1) {
    usleep(100 * 1000);
  }
  return 0;
}

使能 sched_wakeup 和 sched_switch:

echo 1 > sched_wakeup/enable
echo 1 > sched_switch/enable

日志保存在 trace 文件中，查看 trace 文件内容，并过滤我们进程名，可以看到相关的打印。下图中用红线标注的信息，第一行是 a.out 被唤醒的事件，第二行是 a.out 被真正执行的事件。从左侧的时间可以看出来 wakeup 的时间是 7489.500015，a.out 被真正执行的时间是 7489.500073，时间单位是秒，所以可以计算出来，这次调度延时是 58μs。

默认情况下，打开这两个事件之后，系统中所有进程发生调度的时候，都会打印日志。而在实际使用中，我们有时候只关心自己的应用。如何只打印我们关心的进程的信息呢 ? 可以通过 tracepoint 中的 filter 来实现。

如下两个命令，当 16489 这个线程被唤醒的时候，会打印信息；当 sched_switch 事件发生的时候，并且下一个要执行的线程是 16489 的时候，会打印信息。这样打印出来的两条信息，时间之差就是 16489 这个线程的调度延时。

echo "pid == 16489" > sched_wakeup/filter

echo "next_pid == 16489" > sched_switch/filter

如下所示，设置过滤器之后，trace 中的信息不再需要过滤，打印的日志均是 a.out 相关的。

2.2 通过内核模块来使用 sched tracepoint

直接使用 /sys/kernel/tracing/events/ 中的目录，通过修改配置文件的方式，打印了 wakeup 和 switch 的时间戳，但是要计算调度延时，还需要我们进行计算。

如下代码是一个内核模块，在内核模块中直接计算出了调度延时，使用更加灵活。内核模块介绍如下：

（1）my_param_ops

这是一个 callback 类型的参数。安装内核模块之后，在 /sys/module/sched_latency/parameters 下可以看到这个参数，通过 cat 和 echo 命令可以读取或修改这个参数的值。当通过 echo 修改参数的值的时候，就会调用函数 notify_param()，这样修改函数的时候调用内核模块中的函数，我们就可以在函数中捕捉一些信息，比较灵活。

（2）tracepoint_probe_register(), tracepoint_probe_unregister()

通过函数 tracepoint_probe_register() 可以向 tracepoint 中插入一个回调函数，这样当事件发生时就会调用这个回调函数。

tracepoint_probe_unregister() 操作与 tracepoint_probe_register() 相反。

（3） trace_sched_wakeup_hit()，trace_sched_switch_hit()

这两个函数分别是 wakeup 和 switch 两个事件发生的时候调用的回调函数。对于不同的内核版本来说，函数的入参可能是有区别的，如果要确定具体的形参列表，可以到文件夹 kernel/trace/ 中的相关文件中去确认。sched_switch 可以在 trace_sched_switch.c 中确认，sched_wakeup 可以在文件 trace_sched_wakeup.c 中确认。

（4）for_each_kernel_tracepoint()

这个是内核中的一个函数，可以遍历内核中的 tracepoint。内核中的一个 tracepoint 用一个结构体 struct tracepoint 来表示。本文中查找了 sched_wakeup 和 sched_switch 这两个 tracepoint。

/**
 * for_each_kernel_tracepoint - iteration on all kernel tracepoints
 * @fct: callback
 * @priv: private data
 */
void for_each_kernel_tracepoint(void (*fct)(struct tracepoint *tp, void *priv),
		void *priv)
{
	for_each_tracepoint_range(__start___tracepoints_ptrs,
		__stop___tracepoints_ptrs, fct, priv);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(for_each_kernel_tracepoint);

// sched_latency.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/tracepoint.h>
#include <linux/timekeeping.h>
#include <linux/sched.h>


unsigned long long sched_wakeup_ts_ns = 0;
unsigned long long sched_switch_ts_ns = 0;
unsigned long long max_sched_latency = 0;
unsigned long long min_sched_latency = 10000000;
unsigned long long avg_sched_latency = 0;

unsigned long long get_timestamp_ns(void) {
    struct timespec64 ts;
    ktime_get_real_ts64(&ts);
    return timespec64_to_ns(&ts);
}

int target_pid_int = 0;
int notify_param(const char *val, const struct kernel_param *kp) {
  int res = param_set_int(val, kp);
  if (res != 0) {
    printk("set cb param failed\n");
    return 0;
  }
  printk("target pid is %d\n", target_pid_int);
  return 0;
}

const struct kernel_param_ops my_param_ops = {
    .set = &notify_param,
    .get = &param_get_int,
};
module_param_cb(target_pid_int, &my_param_ops, &target_pid_int, S_IWUSR | S_IRUSR);


static struct tracepoint *target_tp = NULL;
static void probe_tracepoint(struct tracepoint *tp, void *priv) {
  char *n = priv;

  if (strcmp(tp->name, n) == 0) {
    printk("found tracepooint: %s\n", n);
    target_tp = tp;
  }
}

static struct tracepoint *find_tracepoint(const char *name) {
  for_each_kernel_tracepoint(probe_tracepoint, (void *)name);
  return target_tp;
}

static void trace_sched_wakeup_hit(void *__data, struct task_struct *p) {
  if (target_pid_int <= 0) {
    return;
  }
  if (p->pid != target_pid_int) {
    return;
  }
  sched_wakeup_ts_ns = get_timestamp_ns();

  printk("hit sched wakeup, pid = %d\n", target_pid_int);
}

static void trace_sched_switch_hit(void *__data, bool preempt,
                struct task_struct *prev, struct task_struct *next) {
  if (target_pid_int <= 0) {
    return;
  }

  if (next->pid != target_pid_int) {
    return;
  }
  static unsigned long long switch_to_count = 0;
  static unsigned long long total_latency = 0;
  sched_switch_ts_ns = get_timestamp_ns();
  unsigned long long latency = sched_switch_ts_ns - sched_wakeup_ts_ns;
  if (latency > max_sched_latency) {
    max_sched_latency = latency;
  }
  if (latency < min_sched_latency) {
    min_sched_latency = latency;
  }
  switch_to_count++;
  total_latency += latency;
  avg_sched_latency = total_latency / switch_to_count;

  if (0 == switch_to_count % 100) {
    printk("start --------------------------------\n");
    printk("pid: %d\n", target_pid_int);
    printk("total switch to count: %llu\n", switch_to_count);
    printk("total sched latency: %llu\n", total_latency);
    printk("max sched latency: %llu\n", max_sched_latency);
    printk("min sched latency: %llu\n", min_sched_latency);
    printk("avg sched latency: %llu\n", avg_sched_latency);
    printk("end --------------------------------\n");
  }
}

static int __init sched_latency_init(void) {
  int ret;

  target_tp = NULL;
  struct tracepoint *tp = NULL;
  tp = find_tracepoint("sched_wakeup");
  if (!tp) {
    printk("scheddebug, not find sched_wakeup\n");
    return 0;
  }
  ret = tracepoint_probe_register(tp, trace_sched_wakeup_hit, NULL);
  if (ret) {
    printk(KERN_ERR "scheddebug, failed to register tracepoint probe\n");
    return ret;
  }

  target_tp = NULL;
  tp = NULL;
  tp = find_tracepoint("sched_switch");
  if (!tp) {
    printk("scheddebug, ot find sched_switch\n");
    return 0;
  }
  ret = tracepoint_probe_register(tp, trace_sched_switch_hit, NULL);
  if (ret) {
    printk("scheddebug, failed to register tracepoint probe\n");
    return ret;
  }

  printk("scheddebug, sched latency module loaded\n");
  return 0;
}

static void __exit sched_latency_exit(void) {
  target_tp = NULL;
  struct tracepoint *tp = NULL;
  tp = find_tracepoint("sched_wakeup");
  if (!tp) {
    printk("scheddebug, not find sched_wakeup\n");
    return;
  }
  tracepoint_probe_unregister(tp, trace_sched_wakeup_hit, NULL);

  target_tp = NULL;
  tp = NULL;
  tp = find_tracepoint("sched_switch");
  if (!tp) {
    printk("scheddebug, not find sched_switch\n");
    return;
  }
  tracepoint_probe_unregister(tp, trace_sched_switch_hit, NULL);

  printk("scheddebug, Tracepoint example module unloaded\n");
}

module_init(sched_latency_init);
module_exit(sched_latency_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("wyl");
MODULE_DESCRIPTION("use sched_wakeup and sched_switch to get shced latency");

Makefile:

obj-m += sched_latyency.o

all:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
clean:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

模块安装之后，我们可以将感兴趣的线程的 pid 写入模块参数中。打印信息如下，包括调度次数，以及最大调度延时，最小调度延时以及平均调度延时。如下打印信息统计到，最大调度延时为 793μs，最小为 21μs，平均调度原始为 237μs。

2.3 perf sched

（1）perf sched record

这个命令可以记录系统的调度信息。执行一段时间之后，使用 ctrl c 停掉 perf，记录的数据会保存到 perf.data 中。

（2）perf sched script

perf sched script 可以查看 perf.data 中记录的原始信息。如下图所示，可以看到 perf sched 记录的信息，这些信息是基于 tracepoint 中的事件，在其中可以看到 sched_wakeup，sched_switch，sched_stat_runtime 这些日志。

sched_wakeup	线程从睡眠态到唤醒时的事件，任务加到运行队列中
sched_switch	当发生任务调度时的事件，选择一个新的任务来执行
sched_stat_runtime	记录线程运行的时间