Patch Con Kolivas: incrementare le prestazioni desktop

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Introduzione

Le patch Con Kolivas (-ck) per il kernel di Linux sono una serie di patch pensate per incrementare le prestazioni desktop, principalmente tramite l'implementazione di uno scheduler in grado di offrire latenze molto basse.
Il primo patchset ha introdotto l'uso di uno scheduler innovativo (staircase), ottimizzando l'uso dello swap (swap-prefetching) e del sotto-sistema disco, e aggiungendo dei nuovi livelli di priorità al di fuori di quelli tradizionalmente impostabili con nice.
L'ultima di queste patch è stata sviluppata per il kernel 2.6.22. Dopo questa versione l'amareggiato Con Kolivas ha abbandonato lo sviluppo della patch a causa di dissidi con altri sviluppatori del kernel.
Parte del design del ck è stato comunque inserito nel kernel mainline con la creazione di un nuovo scheduler, il CFS, che ha rimpiazzato il vecchio.
Dopo qualche anno di inattività Con Kolivas, dicendosi insoddisfatto dalle prestazioni offerte dal CFS, ha ripreso lo sviluppo di un nuovo patchset; questo patchset, tutt'ora mantenuto da CK, utilizza un nuovo scheduler a bassa latenza, il BFS, pensato principalmente per un uso desktop.
Il primo paragrafo di questa guida è dedicato a una breve descrizione del vecchio patchset, con particolare attenzione alle caratteristiche che non son più incluse nel BFS. Il resto della guida spiega come installare e utilizzare le caratteristiche del nuovo scheduler.

Il primo patchset

Staircase Deadline Scheduler

Le patch -ck (per il kernel 2.6.21 o successivi) includevano l'innovativo scheduler Staircase Deadline (chiamato semplicemente SD). Questo scheduler è l'evoluzione del secondo scheduler dei processi scritto da zero da Con Kolivas (il primo scheduler chiamato Staircase è stato anch'esso molto innovativo). Le sue caratteristiche principali erano la sua fairness garantita (tutti i processi della stessa priorità consumano esattamente la stessa CPU) e la sua spiccata interattività. Con Kolivas ha mostrato al mondo per la prima volta che uno scheduler per Linux completamente fair e con una interattività molto elevata (superiore al mainline) non era solo teoricamente ma anche praticamente possibile. Il vantaggio di un fair scheduler è la sua assoluta immunità a starvation che affiggeva lo scheduler mainline (ingosched) e (in misura minore) il vecchio Staircase.

Per maggiori dettagli tecnici su SD:

Per un po' di storia sulla nascita, l'evoluzione e sulla competizione con un nuovo scheduler scritto da Ingo Molnar (CFS) inspirato dal successo di SD potete leggere:


Swap prefetching

Altra patch inclusa era la così detta swap prefetching. In pratica questa patch ottimizza l'uso dello swap precaricando delle pagine non appena della RAM risulta disponibile (non quando le pagine sono richieste come sul kernel vanilla), e questo velocizza notevolmente il passaggio tra le grosse applicazioni se ad esempio se ne chiude una. Inoltre vengono tenute in swap anche pagine caricate in RAM in modo da rendere immediato un successivo swap-out.

Con questa patch l'utilizzo apparente dello swap sarà maggiore ma in realtà questo è dovuto alle ottimizzazioni fatte per incrementare le prestazioni.

Lo scheduler BFS

Confronto tra BFS e Mainline

Una delle caratteristiche importanti per uno scheduler di processi è la scalabilità; ad esempio se si aggiungono dei processori ad un sistema si richiede che il throughput aumenti in modo significativo ogni volta che viene aggiunto un nuovo processore, anche quando il loro numero diventa molto elevato.
Altre due caratteristiche desiderabili sono una buona reattività e la fairness (i processi vengono eseguiti secondo la loro priorità e a quelli con uguale priorità viene assegnata la stessa quota di cpu ).
L'attuale scheduler mainline (CFS) è stato pensato per ottenere buoni risultati in tutte queste caratteristiche: tuttavia per mantenere una buona scalabilità e garantire la fairness sono necessari complessi algoritmi di bilanciamento che deteriorano la reattività e il throughput.

La particolarità del BFS è che è stato progettato con l'unico obbiettivo di ottenere una spiccata reattività e basse latenze nell'uso desktop, senza preoccuparsi minimanente della scalabilità.
Lo scheduler pesca i processi da una unica coda globale in base alla priorità e alla deadline: questa semplice struttura garantisce la fairness senza bisogno di alcun algoritmo di bilanciamento, tutto a vantaggio della reattività e del throughput.

In sostanza il CFS è uno scheduler progettato per essere adatto a diversi utilizzi, dal desktop al server, (e di conseguenza non ottimizzato per nessuno di essi), mentre all'opposto il BFS si caratterizza come uno scheduler pensato e ottimizzato per un solo utilizzo, il desktop.

Limiti e particolarità del BFS

Prima di applicare la patch conviene valutare se questo scheduler è adatto all'hardware che si possiede e all'uso che si intende fare del proprio pc:

Scalabilità

Il principale limite del BFS è la scalabilità: secondo alcuni test effettuati questo scheduler comincerà ad avere performance esponenzialmente decrescente sulle CPU con oltre 16 core, mentre al di sotto di questo numero ha una scalabilità anche migliore del CFS. Notare che ai fini del calcolo del numero di core, contano i core logici e non quelli fisici (quindi una cpu 8 core con HT conterà come 16).
Un altro caso in cui il BFS potrebbe sotto-performare rispetto al mainline è quello di un pc costantemente sottoposto ad un elevato carico, ad esempio un server che deve eseguire un numero molto elevato di processi che si susseguono tra i loro.

Overhead e jobservers

La mancanza di algoritmi per la scalabilità rende il BFS uno scheduler a basso overhead, una caratteristica che può essere molto utile con processori a basso consumo come quelli dei cellulari.
Un'altra situazione dove il basso overhead del BFS risulta vantaggioso è quando si compila del software usando l'opzione -j di make: di solito si usa -jn con n superiore al numero di core del processore, per esempio -j6 su un quad-core. Tuttavia col BFS usare -j4 su un processore quad-core è la scelta più veloce di qualsiasi altro numero scelto con lo scheduler mainline.
Di fatto lo scheduler mainline non riesce a sfruttare appieno le potenzialità della cpu nelle situazioni più comuni su un desktop.

Cgroups e systemd

A causa di alcuni bug che si sono verificati nel periodo iniziale di sviluppo di systemd si è sparsa la leggenda che le patch BFS non sono compatibili col nuovo sistema di init. Questo non è vero, nel senso che è possibile usare un kernel patchato BFS e avviarlo con systemd; quello che è vero è che il BFS non implementa i CGROUPS e dunque non sarà possibile esercitare questo tipo di controllo sui processi utilizzando la apposita funzione di systemd. Poco male perchè le patch introducono un altro semplice strumento, descritto in seguito, per limitare l'utilizzo della cpu da parte dei processi.

Misurazione della performance

Se utilizzando la patch BFS notate dei valori di carico di cpu anomali, niente paura, almeno finchè il pc risponde ai comandi: infatti bisogna tenere conto che i due scheduler utilizzano un sistema di misurazione del carico della cpu differente e quindi i risultati non sono comparabili con quelli del mainline. In particolare il CFS utilizza il timer frequency mentre il BFS utilizza l'orologio TSC, che è più accurato per i singoli processi ma può dare misurazioni del carico complessivo "sballate". Se si vuole confrontare l'efficienza dei due scheduler nell'eseguire un certo lavoro conviene farlo basandosi sul tempo di esecuzione, ad esempio utilizzando il programma time.

Nuove priorità: SCHED_ISO, SCHED_IDLEPRIO

Normalmente i processi in Linux hanno priorità SCHED_NORMAL. I processi di questa classe possono avere un nice da 19 a -20 che indica la loro priorità all'interno della classe SCHED_NORMAL. Su Linux sono presenti altre due classi di priorità:

SCHED_NORMAL
questa è, se non diversamente specificato, priorità dei processi in Linux. I processi di questa classe possono avere un nice da 19 (minima) a -20 (massima) che indica la loro priorità all'interno della classe SCHED_NORMAL
SCHED_BATCH
questa priorità viene usata per processi non interattivi (batch). I processi di questa classe avranno priorità inferiore a qualsiasi processo SCHED_NORMAL.
SCHED_FIFO
usata per processi realtime. Un processo SCHED_FIFO avrà priorità superiore ad ogni altro processo (anche SCHED_NORMAL con nice -20). Normalmente processi con tali privilegi possono essere lanciati solo da root a meno di non usare particolari tecniche per permettere anche a normali utenti di eseguire applicazioni realtime. Non c'è limite di tempo all'impegno della CPU da parte di questi processi che possono rimanere in esecuzione fin quando un processo con priorità più alta non assume il controllo della CPU. In questo caso il processo che perde il controllo si posiziona in cima alla lista dei processi in attesa (FIFO) con la stessa priorità. I processi all'interno di questa classe possono avere una priorità statica da 0 (minima) a 99 (massima).
SCHED_RR
usata anch'essa per processi realtime. Questa politica di priorità funziona in maniera simile a SCHED_FIFO ma è di tipo Round Robin anziché FIFO. Per i processi schedulati con questa politica viene assegnato un intervallo di tempo (Time Quantum) durante il quale il processo impegna la CPU. Scaduto il tempo, il processo viene messo in coda alla lista dei processi eseguibili con la sua stessa priorità.

Le patch -ck introducono due ulteriori livelli:

SCHED_ISO
questa è la priorità chiamata soft realtime. Infatti i processi di questa classe avranno priorità superiore ai processi SCHED_NORMAL ma non sono necessari i privilegi di root per eseguire programmi con questa priorità. Potremmo impostare ad esempio il nostro player audio preferito su SCHED_ISO, e non importa quanto sia carico il sistema non avremo mai salti nell'audio.
SCHED_IDLEPRIO
questa classe di processi viene eseguita solo quando il processore è in IDLE. Potremo lanciare compilazioni di kernel, aggiornamenti di sistema, pesanti cron jobs usando questa priorità e non noteremo il benché minimo degrado delle prestazioni durante il nostro utilizzo interattivo.

Quando lanciamo un processo in Linux questo sarà automaticamente SCHED_NORMAL. Per lanciare processi con altre classi di priorità bisogna usare gli schedtool. Il pacchetto è presente nei repository di Sid e Lenny. 

# apt-get install schedtool

(è indicato per Sid ma va benissimo anche per Etch)

Ecco alcuni esempi: 

# schedtool -D -e apt-get dist-upgrade # aggiornare in modalità SCHED_IDLEPRIO

# schedtool -I -e xmms                 # xmms in modalità SCHED_ISO

# schedtool -I $$                      # trasforma la shell corrente in SCHED_ISO

Per ulteriori informazioni rimando alla semplice e chiara pagina: man schedtool

Installazione

Le patch -ck possono essere scaricate da http://www.kernel.org, al seguente indirizzo:

e si applicano al primo kernel vanilla stabile di ogni serie. Ad esempio l'ultimo kernel stabile è attualmente il 2.6.16.4 ma le patch -ck si applicano al kernel 2.6.16 in quanto includono anche le patch inserite dal 2.6.16 al 2.6.16.4.

Attualmente l'ultimo patch set -ck è il 2.6.16-ck5, ed il file da scaricare e porre in /usr/src/ è il seguente:

Nel seguito si userà, come esempio, il kernel 2.6.16 e le patch -ck5 per tale kernel.

Una volta scompattati i sorgenti del kernel vanilla in /usr/src/ si possono patchare con: 

$ cd /usr/src/linux-2.6.16/
$ bzcat ../patch-2.6.16-ck5.bz2 | patch -p1

Per una questione di ordine conviene rinominare la directory dei sorgenti in modo da rispecchiare la patch usata: 

$ cd /usr/src
$ mv linux-2.6.16 linux-2.6.16-ck5

È consigliato usare un file di configurazione per il kernel vanilla e dare oldconfig: 

 $ cd linux-2.6.16-ck5
 $ cp /boot/config-2.6.16-vanilla .
 $ make oldconfig

A meno che non sappiate perfettamente cosa state facendo lasciate tutte le risposte di default alle domande fatte dell'oldconfig.

A questo punto è possibile compilare il kernel, ovviamente alla debian-way. Se abbiamo già in esecuzione un kernel -ck possiamo lanciare la compilazione in modalità SCHED_IDLEPRIO: 

 $ schedtool -D -e time fakeroot make-kpkg --append-to-version -desktop --revision 0.1 kernel_image

In questo modo non ci accorgeremo nemmeno della compilazione durante il normale utilizzo interattivo del computer, infatti la compilazione avverrà solo quando la CPU sarà in idle. Il tempo di compilazione aumenta in maniera impercettibile. Verrà anche stampata la durata della compilazione grazie al comando time.

Se non abbiamo un kernel -ck, ma un kernel abbastanza recente (penso dal 2.6.15 in su, ma non sono sicuro) potremo usare la modalità SCHED_BATCH, cambiando semplicemente l'opzione -D con -B. In questo modo la compilazione avrà priorità minore di tutti i processi SCHED_NORMAL. Durante la compilazione il sistema sarà abbastanza responsivo anche se non come nel caso precedente.

Ultima possibilità, nel caso abbiate un kernel vecchio o non abbiate installato gli schedtool è quella di lanciare la compilazione con nice 19 (la più bassa priorità di un processo SCHED_NORMAL): 

$ nice -n 19 time fakeroot make-kpkg --append-to-version -desktop --revision 0.1 kernel_image

Ovviamente non è necessario compilare a bassa priorità, ma i casi precedenti sono stati riportati come esempio pratico di utilizzo degli schedtool e delle funzionalità delle patch -ck.

Per saperne di più sulla compilazione del kernel e la Debian way: Debian Kernel Howto.

Links

Con Kolivas:

Kernel:



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