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关于linux-kernel:龙蜥开源Plugsched首次实现-Linux-kernel-调度器热升级-龙蜥技术

jiezi

文 / 龙蜥社区内核开发人员 陈善佩、吴一昊、邓二伟

Plugsched 是 Linux 内核调度器子系统热降级的 SDK，它能够实现在不重启零碎、利用的状况下动静替换调度器子系统，毫秒级 downtime。Plugsched 能够对生产环境中的内核调度个性动静地进行增、删、改，以满足不同场景或利用的需要，且反对回滚。

基于 plugsched 实现的调度器热降级，不批改现有内核代码，就能取得较好的可批改能力，人造反对线上的老内核版本。如果提前在内核调度器代码的要害数据结构中退出 Reserve 字段，能够额定取得批改数据结构的能力，进一步晋升可批改能力。

Plugsched 开源链接：https://gitee.com/anolis/plug…

那么 Plugsched 诞生的背景或者想要解决的问题是什么？

咱们认为有以下 4 点：

  • 利用场景不同，最佳调度策略不同。利用品种极大丰富，利用特色也是变幻无穷（throughput-oriented workloads, 𝜇s-scale latency critical workloads, soft real-time, and energy efficiency requirements），使得调度策略的优化比较复杂，不存在“一劳永逸”的策略。因而，容许用户定制调度器满足不同的场景是必要的。
  • 调度器迭代慢。Linux 内核通过很多年的更新迭代，代码变得越来越沉重。调度器是内核最外围的子系统之一，它的结构复杂，与其它子系统严密耦合，这使得开发和调试变得越发艰难。此外，Linux 很少减少新的调度类，尤其是不太可能承受非通用或场景针对型的调度器，上游社区在调度畛域发展缓慢。
  • 内核降级艰难。调度器内嵌（built-in）在内核中，上线调度器的优化或新个性须要降级内核版本。内核公布周期通常是数月之久，这将导致新的调度器无奈及时利用在生产零碎中。再者，要在集群范畴降级新内核，波及业务迁徙和停机降级，对业务方来说代价低廉。
  • 无奈降级子系统。kpatch 和 livepatch 是函数粒度的热降级计划，可批改能力较弱，不能实现简单的逻辑改变；eBPF 技术在内核网络中广泛应用，但当初调度器还不反对 ebpf hook，未来即便反对，也只是实现部分策略的灵便批改，可批改能力同样较弱。
  • Plugsched 能将调度器子系统从内核中提取进去，以模块的模式对内核调度器进行热降级。通过对调度器模块的批改，可能针对不同业务定制化调度器，而且应用模块可能更麻利的开发新个性和优化点，并且能够在不中断业务的状况下上线。


图 1 plugsched: 业务不中断

应用 plugsched 具备以下 6 大劣势：

  • 与内核公布解耦：调度器版本与内核版本解耦，不同业务能够应用不同调度策略；建设继续运维能力，减速调度问题修复、策略优化落地；晋升调度畛域翻新空间，放慢调度器技术演进和迭代
  • 可批改能力强：能够实现简单的调度个性和优化策略，能人之所不能
  • 保护简略：不批改内核代码，或大量批改内核代码，放弃内核主线洁净整洁；在内核代码 Tree 外独立保护非通用调度策略，采纳 RPM 的模式公布和上线
  • 简略易用：容器化的 SDK 开发环境，一键生成 RPM，开发测试简洁高效
  • 向下兼容：反对老内核版本，使得存量业务也能及时享受新技术红利
  • 高效的性能：毫秒级 downtime，可疏忽的 overhead。

Plugsched 利用案例

Plugsched 相比 kpatch 和 livepatch 可批改能力更强，热降级范畴更广，plugsched 是子系统范畴的热降级，而后者是函数级别的热降级。对于 plugsched 而言，无论是 bugfix，还是性能优化，甚至是个性的增、删、改，都可胜任。鉴于 plugsched 较强的可批改能力，它可利用到以下场景：

  • 疾速开发、验证、上线新个性，稳固后放入内核主线
  • 针对不同业务场景做定制优化，以 RPM 包的模式公布和保护非通用调度器个性
  • 对立治理调度器热补丁，防止多个热补丁之间的抵触而引发故障

利用案例 1：新增 Group Identity 调度个性

Group Identity 是阿里云用于混部场景的调度个性，它基于 CFS 调度器减少了一颗存储低优先级工作的红黑树，而且会对每一个 cgroup 调配一个默认优先级，用户也可自行配置其优先级，当队列中存在高优先级工作时，低优先级工作会进行运行。咱们利用 plugsched 对 anck 4.19 的一个老版本内核（没有该调度个性）进行调度器热降级，并将 Group Identity 调度个性移植到生成的调度器模块中，波及 7 个文件，2500+ 行的批改量。

装置该调度器模块后，在零碎中创立两个 cpu cgroup A 和 B，并绑定同一个 CPU，别离设置最高和最低优先级，而后各自创立一个 busy loop 工作。实践上，当 A 中有工作执行时，B 中的工作会进行运行。此时用 top 工具查看该 CPU 利用率，发现只有一个利用率是 100% 的 busy loop 工作，阐明模块中的 Group Identity 个性已失效；而动静卸载该模块后，呈现了两个各占 50% CPU 的 busy loop 工作，阐明模块曾经生效。

利用案例 2：与内核公布解耦及定制化调度器

阿里云某客户应用的旧版本内核，因为该内核调度器对 load 的统计算法不合理，导致 CPU 利用率过高，尽管修复补丁曾经合入内核主线，然而新内核版本还未公布，而且业务方也不打算更换内核，因为集群中部署了大量的业务，降级内核老本较高。

除此之外，客户的内核开发人员对其混部业务场景（Group Identity 调度个性）进行了针对性的优化，想将优化内容合入内核主线。然而，阿里云内核开发人员发现，该优化内容在其它场景中有性能回退，属于非通用优化，因而不容许将优化内容合入主线。

于是，客户的内核开发人员应用 plugsched 将优化修复内容全副移植到调度器模块中，最初规模部署。该案例能够体现出 plugsched 的与内核公布解耦、定制化调度器的劣势。

那么 Plugsched 该如何应用？

目前，plugsched 默认反对 Anolis OS 7（内核 ANCK-4.19 版本）零碎，其它操作系统须要调整边界配置。为了加重搭建运行环境的复杂度，咱们提供了容器镜像和 Dockerfile，开发人员不须要本人去搭建开发环境。为了不便演示，这里购买了一台阿里云 ECS（64CPU + 128GB），并装置 Anolis OS 7.9 ANCK 零碎发行版，咱们将演示对其内核调度器进行热降级的过程。

1、登陆云服务器后，先装置一些必要的根底软件包：

# yum install anolis-repos -y # yum install podman kernel-debuginfo-$(uname -r) kernel-devel-$(uname -r) --enablerepo=Plus-debuginfo --enablerepo=Plus -y

2、创立长期工作目录，下载零碎内核的 SRPM 包：

# mkdir /tmp/work # uname -r 4.19.91-25.2.an7.x86_64 # cd /tmp/work 
# wget https://mirrors.openanolis.cn/anolis/7.9/Plus/source/Packages/kernel-4.19.91-25.2.an7.src.rpm

3、启动并进入容器：

# podman run -itd --name=plugsched -v /tmp/work:/tmp/work -v /usr/src/kernels:/usr/src/kernels -v /usr/lib/debug/lib/modules:/usr/lib/debug/lib/modules docker.io/plugsched/plugsched-sdk # podman exec -it plugsched bash # cd /tmp/work

4、提取 4.19.91-25.1.al7.x86_64 内核源码：

# plugsched-cli extract_src kernel-4.19.91-25.2.an7.src.rpm ./kernel

5、进行边界划分与提取：

# plugsched-cli init 4.19.91-25.2.an7.x86_64 ./kernel ./scheduler

6、提取后的调度器模块代码在 ./scheduler/kernel/sched/mod 中，简略批改 __schedule 函数，而后编译打包成调度器 rpm 包：

diff --git a/kernel/sched/mod/core.c b/kernel/sched/mod/core.c
index f337607..88fe861 100644
--- a/kernel/sched/mod/core.c
+++ b/kernel/sched/mod/core.c
@@ -3235,6 +3235,8 @@ static void __sched notrace __schedule(bool preempt)
   struct rq *rq;
   int cpu;
 
+  printk_once("scheduler: Hi, I am the new scheduler!\n");
+
   cpu = smp_processor_id();
   rq = cpu_rq(cpu);
   prev = rq->curr;
# plugsched-cli build /tmp/work/scheduler

7、将生成的 rpm 包拷贝到宿主机，退出容器，并装置调度器包，调度器日志显示新批改的调度器曾经失效：

# cp /usr/local/lib/plugsched/rpmbuild/RPMS/x86_64/scheduler-xxx-4.19.91-25.2.an7.yyy.x86_64.rpm /tmp/work
# exit
exit
# rpm -ivh /tmp/work/scheduler-xxx-4.19.91-25.2.an7.yyy.x86_64.rpm
# dmesg | tail -n 10
[878.915006] scheduler: total initialization time is        5780743 ns
[878.915006] scheduler module is loading
[878.915232] scheduler: Hi, I am the new scheduler!
[878.915232] scheduler: Hi, I am the new scheduler!
[878.915990] scheduler load: current cpu number is               64
[878.915990] scheduler load: current thread number is           626
[878.915991] scheduler load: stop machine time is            243138 ns
[878.915991] scheduler load: stop handler time is            148542 ns
[878.915992] scheduler load: stack check time is              86532 ns
[878.915992] scheduler load: all the time is                 982076 ns

咱们通过以上晓得了 Plugsched 是什么、利用案例，那它实现原理是什么？

调度器子系统在内核中并非是一个独立的模块，而是内嵌在内核中，与内核其它局部严密相连。Plugsched 采纳“模块化”的思维：它提供了边界划分程序，确定调度器子系统的边界，把调度器从内核代码中提取到独立的目录中，开发人员可对提取出的调度器代码进行批改，而后编译成新的调度器内核模块，动静替换内核中旧的调度器。对子系统进行边界划分和代码提取，须要处理函数和数据，而后生成一个独立的模块。

对于函数而言，调度器模块对外出现了一些要害的函数，以这些函数为入口就能够进入模块中，咱们称之为接口函数。通过替换内核中的这些接口函数，内核就能够绕过原有的执行逻辑进入新的调度器模块中执行，即可实现函数的降级。模块中的函数，除了接口函数外，还有外部函数，其它的则是内部函数。

对于数据，调度器模块默认应用并继承内核中原有的数据，对于调度器重要的数据，比方运行队列状态等，能够通过状态重建技术主动从新初始化，这类数据属于公有数据，而其它则是共享数据。为了灵活性，plugsched 容许用户手动设置公有数据，手动设置的公有数据会在模块中保留定义，但须要对它们进行初始化。对于构造体而言，plugsched 将只被调度器拜访的构造体成员分类为外部成员，其它为非外部成员。调度器模块容许批改外部成员的语义，禁止批改非外部成员的语义。如果构造体所有成员都是外部成员，则调度器模块容许批改整个构造体。然而，倡议优先应用构造体中的保留字段，而不是批改现有成员。

设计方案
Plugsched 次要蕴含两大部分，第一局部是调度器模块边界划分与代码提取局部，第二局部是调度器模块热降级局部，这两局部是整个计划的外围。其整体设计方案如下：


图 2 plugsched 整体架构

首先进行的是调度器模块边界划分和代码提取流程，因为调度器自身并不是模块，因而须要明确调度器的边界能力将它模块化。边界划分程序会依据边界配置信息（次要蕴含代码文件、接口函数等信息）从内核源代码中将调度器模块的代码提取到指定目录，而后开发人员可在此基础上进行调度器模块的开发，最初编译生成调度器 RPM 包，并可装置在对应内核版本的零碎中。装置后会替换掉内核中原有的调度器，装置过程会经验以下几个要害过程：

  • 符号重定位：解析模块对局部内核符号的拜访
  • 栈安全检查：相似于 kpatch，函数替换前必须进行栈安全检查，否则会呈现宕机的危险。plugsched 对栈安全检查进行了并行和二分优化，晋升了栈安全检查的效率，升高了停机工夫
  • 接口函数替换：用模块中的接口函数动静替换内核中的函数
  • 调度器状态重建：采纳通用计划主动同步新旧调度器的状态，极大的简化数据状态的一致性保护工作

总结：基于以上介绍，整体来看，Plugsched 使得调度器从内核中解放出来，开发人员能够对调度器进行专项定制，而不局限于内核通用调度器；内核保护也变得更加轻松，因为开发人员只须要关注通用调度器的开发与迭代，定制化调度器可通过 RPM 包的模式进行公布；内核调度器代码也会变得简洁，无需再被各个场景的优化混同起来。

将来，plugsched 会反对新版本内核和其它平台，继续对其易用性进行优化，并提供更多的利用案例。最初，欢送更多的开发者能参加到 plugsched 中。

—— 完 ——

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目前，龙蜥 OS 8.4 已公布，反对 X86_64、Arm64、LoongArch 架构，欠缺适配飞腾、海光、兆芯、鲲鹏、龙芯等芯片，并提供全栈国密反对。

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