Linux动态频率调节系统CPUFreq之三：governor
在上一篇文章中，介绍了cpufreq的core层，core提供了cpufreq系统的初始化，公共数据结构的建立以及对cpufreq中其它子部件提供注册功能。core的最核心功能是对policy的管理，一个policy通过cpufreq_policy结构中的governor字段，和某个governor相关联，本章的内容正是要对governor进行讨论。
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通过前面两篇文章的介绍，我们知道，governor的作用是：检测系统的负载状况，然后根据当前的负载，选择出某个可供使用的工作频率，然后把该工作频率传递给cpufreq_driver，完成频率的动态调节。内核默认提供了5种governor供我们使用，在之前的内核版本中，每种governor几乎是独立的代码，它们各自用自己的方式实现对系统的负载进行监测，很多时候，检测的逻辑其实是很相似的，各个governor最大的不同之处其实是根据检测的结果，选择合适频率的策略。所以，为了减少代码的重复，在我现在分析的内核版本中（3.10.0），一些公共的逻辑代码被单独抽象出来，单独用一个文件来实现：/drivers/cpufreq/cpufreq_governor.c，而各个具体的governor则分别有自己的代码文件，如：cpufreq_ondemand.c，cpufreq_performance.c。下面我们先从公共部分讨论。
1. 数据结构
cpu_dbs_common_info 该结构把对计算cpu负载需要使用到的一些辅助变量整合在了一起，通常，每个cpu都需要一个cpu_dbs_common_info结构体，该结构体中的成员会在governor的生命周期期间进行传递，以用于统计当前cpu的负载，它的定义如下：
/* Per cpu structures */
struct cpu_dbs_common_info {
int cpu;
u64 prev_cpu_idle;
u64 prev_cpu_wall;
u64 prev_cpu_nice;
struct cpufreq_policy *cur_policy;
struct delayed_work work;
struct mutex timer_mutex;
ktime_t time_stamp;
};
- cpu 与该结构体相关联的cpu编号。
- prev_cpu_idle 上一次统计时刻该cpu停留在idle状态的总时间。
- prev_cpu_wall 上一次统计时刻对应的总工作时间。
- cur_policy 指向该cpu所使用的cpufreq_policy结构。
- work 工作队列，该工作队列会被定期地触发，然后定期地进行负载的更新和统计工作。
struct od_cpu_dbs_info_s {
struct cpu_dbs_common_info cdbs;
struct cpufreq_frequency_table *freq_table;
unsigned int freq_lo;
unsigned int freq_lo_jiffies;
unsigned int freq_hi_jiffies;
unsigned int rate_mult;
unsigned int sample_type:1;
};而对于Conservative，他的定义如下：
struct cs_cpu_dbs_info_s {
struct cpu_dbs_common_info cdbs;
unsigned int down_skip;
unsigned int requested_freq;
unsigned int enable:1;
};把它理解为类似于C++语言的基类和子类的概念就是了。
common_dbs_data 各个独立的governor，需要和governor的公共层交互，需要实现一套公共的接口，这个接口由common_dbs_data结构来提供：
struct common_dbs_data {
/* Common across governors */
#define GOV_ONDEMAND 0
#define GOV_CONSERVATIVE 1
int governor;
struct attribute_group *attr_group_gov_sys; /* one governor - system */
struct attribute_group *attr_group_gov_pol; /* one governor - policy */
/* Common data for platforms that don't set have_governor_per_policy */
struct dbs_data *gdbs_data;
struct cpu_dbs_common_info *(*get_cpu_cdbs)(int cpu);
void *(*get_cpu_dbs_info_s)(int cpu);
void (*gov_dbs_timer)(struct work_struct *work);
void (*gov_check_cpu)(int cpu, unsigned int load);
int (*init)(struct dbs_data *dbs_data);
void (*exit)(struct dbs_data *dbs_data);
/* Governor specific ops, see below */
void *gov_ops;
};主要的字段意义如下：
- governor 因为ondemand和conservative的实现部分有很多相似的地方，用该字段做一区分，可以设置为GOV_ONDEMAND或GOV_CONSERVATIVE的其中之一。
- attr_group_gov_sys 该公共的sysfs属性组。
- attr_group_gov_pol 各policy使用的属性组，有时候多个policy会使用同一个governor算法。
- gdbs_data 通常，当没有设置have_governor_per_policy时，表示所有的policy使用了同一种governor，该字段指向该governor的dbs_data结构。
- get_cpu_cdbs 回调函数，公共层用它取得对应cpu的cpu_dbs_common_info结构指针。
- get_cpu_dbs_info_s 回调函数，公共层用它取得对应cpu的cpu_dbs_common_info_s的派生结构指针，例如：od_cpu_dbs_info_s，cs_cpu_dbs_info_s。
- gov_dbs_timer 前面说过，cpu_dbs_common_info_s结构中有一个工作队列，该回调通常用作工作队列的工作函数。
- gov_check_cpu 计算cpu负载的回调函数，通常会直接调用公共层提供的dbs_check_cpu函数完成实际的计算工作。
- init 初始化回调，用于完成该governor的一些额外的初始化工作。
- exit 回调函数，governor被移除时调用。
- gov_ops 各个governor可以用该指针定义各自特有的一些操作接口。
dbs_data 该结构体通常由governor的公共层代码在governor的初始化阶段动态创建，该结构的一个最重要的字段就是cdata：一个common_dbs_data结构指针，另外，该结构还包含一些定义governor工作方式的一些调节参数。该结构的详细定义如下：
struct dbs_data {
struct common_dbs_data *cdata;
unsigned int min_sampling_rate;
int usage_count;
void *tuners;
/* dbs_mutex protects dbs_enable in governor start/stop */
struct mutex mutex;
};
几个主要的字段：
- cdata 一个common_dbs_data结构指针，通常由具体governor的实现部分定义好，然后作为参数，通过公共层的API：cpufreq_governor_dbs，传递到公共层，cpufreq_governor_dbs函数在创建好dbs_data结构后，把该指针赋值给该字段。
- min_sampling_rate 用于记录统计cpu负载的采样周期。
- usage_count 当没有设置have_governor_per_policy时，意味着所有的policy采用同一个governor，该字段就是用来统计目前该governor被多少个policy引用。
- tuners 指向governor的调节参数结构，不同的governor可以定义自己的tuner结构，公共层代码会在governor的初始化阶段调用common_dbs_data结构的init回调函数，governor的实现可以在init回调中初始化tuners字段。
如果设置了have_governor_per_policy，每个policy拥有各自独立的governor，也就是说，拥有独立的dbs_data结构，它会记录在cpufreq_policy结构的governor_data字段中，否则，如果没有设置have_governor_per_policy，多个policy共享一个governor，和同一个dbs_data结构关联，此时，dbs_data被赋值在common_dbs_data结构的gdbs_data字段中。
cpufreq_governor 这个结构在本系列文章的第一篇已经介绍过了，请参看Linux动态频率调节系统CPUFreq之一：概述。几个数据结构的关系如下图所示：
图 1.1 governor的数据结构关系
下面我们以ondemand这个系统已经实现的governor为例，说明一下如何实现一个governor。具体的代码请参看：/drivers/cpufreq/cpufreq_ondemand.c。
2. 定义一个governor
要实现一个governor，首先要定义一个cpufreq_governor结构，对于ondeman来说，它的定义如下：
struct cpufreq_governor cpufreq_gov_ondemand = {
.name = "ondemand",
.governor = od_cpufreq_governor_dbs,
.max_transition_latency = TRANSITION_LATENCY_LIMIT,
.owner = THIS_MODULE,
};其中，governor是这个结构的核心字段，cpufreq_governor注册后，cpufreq的核心层通过该字段操纵这个governor的行为，包括：初始化、启动、退出等工作。现在，该字段被设置为od_cpufreq_governor_dbs，我们看看它的实现：
static int od_cpufreq_governor_dbs(struct cpufreq_policy *policy,
unsigned int event)
{
return cpufreq_governor_dbs(policy, &od_dbs_cdata, event);
}只是简单地调用了governor的公共层提供的API：cpufreq_governor_dbs，关于这个API，我们在后面会逐一进行展开，这里我们注意到参数：&od_dbs_cdata，正是我们前面讨论过得common_dbs_data结构，作为和governor公共层的接口，在这里它的定义如下：
static struct common_dbs_data od_dbs_cdata = {
.governor = GOV_ONDEMAND,
.attr_group_gov_sys = &od_attr_group_gov_sys,
.attr_group_gov_pol = &od_attr_group_gov_pol,
.get_cpu_cdbs = get_cpu_cdbs,
.get_cpu_dbs_info_s = get_cpu_dbs_info_s,
.gov_dbs_timer = od_dbs_timer,
.gov_check_cpu = od_check_cpu,
.gov_ops = &od_ops,
.init = od_init,
.exit = od_exit,
};这里先介绍一下get_cpu_cdbs和get_cpu_dbs_info_s这两个回调，前面介绍cpu_dbs_common_info_s结构的时候已经说过，各个governor需要定义一个cpu_dbs_common_info_s结构的派生结构，对于ondemand来说，这个派生结构是：od_cpu_dbs_info_s。两个回调函数分别用来获得基类和派生类这两个结构的指针。我们先看看od_cpu_dbs_info_s是如何定义的：
static DEFINE_PER_CPU(struct od_cpu_dbs_info_s, od_cpu_dbs_info);没错，它被定义为了一个per_cpu变量，也就是说，每个cpu拥有各自独立的od_cpu_dbs_info_s，这很正常，因为每个cpu需要的实时负载是不一样的，需要独立的上下文变量来进行负载的统计。前面也已经列出了od_cpu_dbs_info_s的声明，他的第一个字段cdbs就是一个cpu_dbs_common_info_s结构。内核为我们提供了一个辅助宏来帮助我们定义get_cpu_cdbs和get_cpu_dbs_info_s这两个回调函数：
#define define_get_cpu_dbs_routines(_dbs_info) \
static struct cpu_dbs_common_info *get_cpu_cdbs(int cpu) \
{ \
return &per_cpu(_dbs_info, cpu).cdbs; \
} \
\
static void *get_cpu_dbs_info_s(int cpu) \
{ \
return &per_cpu(_dbs_info, cpu); \
} 所以，在cpufreq_ondemand.c中，我们只要简单地使用上述的宏即可定义这两个回调：
define_get_cpu_dbs_routines(od_cpu_dbs_info);经过上述这一系列的定义以后，governor的公共层即可通过这两个回调获取各个cpu所对应的cpu_dbs_common_info_s和od_cpu_dbs_info_s的结构指针，用来记录本次统计周期的一些上下文参数（idle时间和运行时间等等）。
3. 初始化一个governor
当一个governor被policy选定后，核心层会通过__cpufreq_set_policy函数对该cpu的policy进行设定，参看 Linux动态频率调节系统CPUFreq之二：核心（core）架构与API中的第4节和图4.1。如果policy认为这是一个新的governor（和原来使用的旧的governor不相同），policy会通过__cpufreq_governor函数，并传递CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT参数，而__cpufreq_governor函数实际上是调用cpufreq_governor结构中的governor回调函数，在第2节中我们已经知道，这个回调最后会进入governor公共API：cpufreq_governor_dbs，下面是它收到CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT参数时，经过简化后的代码片段：
case CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT:
......
dbs_data = kzalloc(sizeof(*dbs_data), GFP_KERNEL);
......
dbs_data->cdata = cdata;
dbs_data->usage_count = 1;
rc = cdata->init(dbs_data);
......
rc = sysfs_create_group(get_governor_parent_kobj(policy),
get_sysfs_attr(dbs_data));
......
policy->governor_data = dbs_data;
......
/* Bring kernel and HW constraints together */
dbs_data->min_sampling_rate = max(dbs_data->min_sampling_rate,
MIN_LATENCY_MULTIPLIER * latency);
set_sampling_rate(dbs_data, max(dbs_data->min_sampling_rate,
latency * LATENCY_MULTIPLIER));
if ((cdata->governor == GOV_CONSERVATIVE) &&
(!policy->governor->initialized)) {
struct cs_ops *cs_ops = dbs_data->cdata->gov_ops;
cpufreq_register_notifier(cs_ops->notifier_block,
CPUFREQ_TRANSITION_NOTIFIER);
}
if (!have_governor_per_policy())
cdata->gdbs_data = dbs_data;
return 0;
首先，它会给这个policy分配一个dbs_data实例，然后把通过参数cdata传入的common_dbs_data指针，赋值给它的cdata字段，这样，policy就可以通过该字段获得governor的操作接口（通过cdata的一系列回调函数）。然后，调用cdata的init回调函数，对这个governor做进一步的初始化工作，对于ondemand来说，init回调的实际执行函数是：od_init，主要是完成和governor相关的一些调节参数的初始化，然后把初始化好的od_dbs_tuners结构指针赋值到dbs_data的tuners字段中，它的详细代码这里就不贴出了。接着，通过sysfs_create_group函数，建立该governor在sysfs中的节点，以后我们就可以通过这些节点对该governor的算法逻辑进行微调，ondemand在我的电脑中，建立了以下这些节点（sys/devices/system/cpu/cpufreq/ondemand）：
sampling_rate;
io_is_busy;
up_threshold;
sampling_down_factor;
ignore_nice;
powersave_bias;
sampling_rate_min;
继续，把初始化好的dbs_data结构赋值给policy的governor_data字段，以方便以后的访问。最后是通过set_sampling_rate设置governor的采样周期，如果还有设置have_governor_per_policy，把dbs_data结构指针赋值给cdata结构的gdbs_data字段，至此，governor的初始化工作完成，下面是整个过程的序列图：
图 3.1 governor的初始化
4. 启动一个governor
核心层会通过__cpufreq_set_policy函数，通过CPUFREQ_GOV_POLICY_INIT参数，在公共层的API：cpufreq_governor_dbs中，完成了对governor的初始化工作，紧接着，__cpufreq_set_policy会通过CPUFREQ_GOV_START参数，和初始化governor的流程一样，最终会到达cpufreq_governor_dbs函数中，我们看看它是如何启动一个governor的：
case CPUFREQ_GOV_START:
if (!policy->cur)
return -EINVAL;
mutex_lock(&dbs_data->mutex);
for_each_cpu(j, policy->cpus) {
struct cpu_dbs_common_info *j_cdbs =
dbs_data->cdata->get_cpu_cdbs(j);
j_cdbs->cpu = j;
j_cdbs->cur_policy = policy;
j_cdbs->prev_cpu_idle = get_cpu_idle_time(j,
&j_cdbs->prev_cpu_wall, io_busy);
if (ignore_nice)
j_cdbs->prev_cpu_nice =
kcpustat_cpu(j).cpustat[CPUTIME_NICE];
mutex_init(&j_cdbs->timer_mutex);
INIT_DEFERRABLE_WORK(&j_cdbs->work,
dbs_data->cdata->gov_dbs_timer);
}
首先，遍历使用该policy的所有的处于online状态的cpu，针对每一个cpu，做以下动作：
- 取出该cpu相关联的cpu_dbs_common_info结构指针，之前已经讨论过，governor定义了一个per_cpu变量来定义各个cpu所对应的cpu_dbs_common_info结构，通过common_dbs_data结构的回调函数可以获取该结构的指针。
- 初始化cpu_dbs_common_info结构的cpu，cur_policy，prev_cpu_idle，prev_cpu_wall，prev_cpu_nice字段，其中，prev_cpu_idle，prev_cpu_wall这两个字段会被以后的负载计算所使用。
- 为每个cpu初始化一个工作队列，工作队列的执行函数是common_dbs_data结构中的gov_dbs_timer字段所指向的回调函数，对于ondemand来说，该函数是：od_dbs_timer。这个工作队列会被按照设定好的采样率定期地被唤醒，进行cpu负载的统计工作。
然后，记录目前的时间戳，调度初始化好的工作队列在稍后某个时间点运行：
/* Initiate timer time stamp */
cpu_cdbs->time_stamp = ktime_get();
gov_queue_work(dbs_data, policy,
delay_for_sampling_rate(sampling_rate), true);
下图表达了启动一个governor的过程：
图 4.1 启动一个governor
工作队列被调度执行后，会在工作队列的执行函数中进行cpu负载的统计工作，这个我们在下一节中讨论。
5. 系统负载的检测
上一节我们提到，核心层启动一个governor后，会在每个使用该governor的cpu上建立一个工作队列，工作队列的执行函数是在common_dbs_data中gov_dbs_timer字段所指向的函数，理所当然，该函数由各个governor的具体代码来实现，对于ondemand governor，它的实现函数是od_dbs_timer。governor的公共层代码为我们提供了一个API：dbs_check_cpu，该API用来计算两个统计周期期间某个cpu的负载情况，我们先分析一下dbs_check_cpu：
void dbs_check_cpu(struct dbs_data *dbs_data, int cpu)
{
struct cpu_dbs_common_info *cdbs = dbs_data->cdata->get_cpu_cdbs(cpu);
......
policy = cdbs->cur_policy;
/* Get Absolute Load (in terms of freq for ondemand gov) */
for_each_cpu(j, policy->cpus) {
struct cpu_dbs_common_info *j_cdbs;
......
j_cdbs = dbs_data->cdata->get_cpu_cdbs(j);
......
cur_idle_time = get_cpu_idle_time(j, &cur_wall_time, io_busy);
wall_time = (unsigned int)
(cur_wall_time - j_cdbs->prev_cpu_wall);
j_cdbs->prev_cpu_wall = cur_wall_time;
idle_time = (unsigned int)
(cur_idle_time - j_cdbs->prev_cpu_idle);
j_cdbs->prev_cpu_idle = cur_idle_time;
......
load = 100 * (wall_time - idle_time) / wall_time;
......
load *= cur_freq； /* 实际的代码不是这样，为了简化讨论，精简为实际的计算逻辑*/
if (load > max_load)
max_load = load;
}
dbs_data->cdata->gov_check_cpu(cpu, max_load);
}由代码可以看出，遍历该policy下每个online的cpu，取出该cpu对应的cpu_dbs_common_info结构，该结构中的prev_cpu_idle和prev_cpu_wall保存有上一次采样周期时记录的idle时间和运行时间，负载的计算其实很简单：
- idle_time = 本次idle时间 - 上次idle时间；
- wall_time = 本次总运行时间 - 上次总运行时间；
- 负载load = 100 * （wall_time - idle_time）/ wall_time；
- 把所有cpu中，负载最大值记入max_load中，作为选择频率的依据；
计算出最大负载max_load后，调用具体governor实现的gov_check_cpu回调函数，对于ondemand来说，该回调函数是：od_check_cpu，我们跟进去看看：
static void od_check_cpu(int cpu, unsigned int load_freq)
{
struct od_cpu_dbs_info_s *dbs_info = &per_cpu(od_cpu_dbs_info, cpu);
struct cpufreq_policy *policy = dbs_info->cdbs.cur_policy;
struct dbs_data *dbs_data = policy->governor_data;
struct od_dbs_tuners *od_tuners = dbs_data->tuners;
dbs_info->freq_lo = 0;
/* Check for frequency increase */
if (load_freq > od_tuners->up_threshold * policy->cur) {
/* If switching to max speed, apply sampling_down_factor */
if (policy->cur < policy->max)
dbs_info->rate_mult =
od_tuners->sampling_down_factor;
dbs_freq_increase(policy, policy->max);
return;
}当负载比预设的阀值高时（od_tuners->up_threshold，默认值是95%），立刻选择该policy最大的工作频率作为接下来的工作频率。如果负载没有达到预设的阀值，但是当前频率已经是最低频率了，则什么都不做，直接返回：
if (policy->cur == policy->min)
return;运行到这里，cpu的频率可能已经在上面的过程中被设置为最大频率，实际上我们可能并不需要这么高的频率，所以接着判断，当负载低于另一个预设值时，这时需要计算一个合适于该负载的新频率：
if (load_freq < od_tuners->adj_up_threshold
* policy->cur) {
unsigned int freq_next;
freq_next = load_freq / od_tuners->adj_up_threshold;
/* No longer fully busy, reset rate_mult */
dbs_info->rate_mult = 1;
if (freq_next < policy->min)
freq_next = policy->min;
if (!od_tuners->powersave_bias) {
__cpufreq_driver_target(policy, freq_next,
CPUFREQ_RELATION_L);
return;
}
freq_next = od_ops.powersave_bias_target(policy, freq_next,
CPUFREQ_RELATION_L);
__cpufreq_driver_target(policy, freq_next, CPUFREQ_RELATION_L);
}
}对于ondemand来说，因为传入的负载是乘上了当前频率后的归一化值，所以计算新频率时，直接用load_freq除以想要的负载即可。本来计算出来的频率直接通过__cpufreq_driver_target函数，交给cpufreq_driver调节频率即可，但是这里的处理考虑了powersave_bias的设置情况，当设置了powersave_bias时，表明我们为了进一步节省电力，我们希望在计算出来的新频率的基础上，再乘以一个powersave_bias设定的百分比，作为真正的运行频率，powersave_bias的值从0-1000，每一步代表0.1%。实际的情况比想象中稍微复杂一点，考虑到乘以一个powersave_bias后的新频率可能不在cpu所支持的频率表中，ondemand算法会在频率表中查找，分别找出最接近新频率的一个区间，由高低两个频率组成，低的频率记入od_cpu_dbs_info_s结构的freq_lo字段中，高的频率通过od_ops.powersave_bias_target回调返回。同时，od_ops.powersave_bias_target回调函数还计算出高低两个频率应该运行的时间，分别记入od_cpu_dbs_info_s结构的freq_hi_jiffies和freq_low_jiffies字段中。原则是，通过两个不同频率的运行时间的组合，使得综合结果接近我们想要的目标频率。详细的计算逻辑请参考函数：generic_powersave_bias_target。
讨论完上面两个函数，让我们回到本节的开头，负载的计算工作是在一个工作队列中发起的，前面说过，ondemand对应的工作队列的工作函数是od_dbs_timer，我们看看他的实现代码：
static void od_dbs_timer(struct work_struct *work)
{
......
/* Common NORMAL_SAMPLE setup */
core_dbs_info->sample_type = OD_NORMAL_SAMPLE;
if (sample_type == OD_SUB_SAMPLE) {
delay = core_dbs_info->freq_lo_jiffies;
__cpufreq_driver_target(core_dbs_info->cdbs.cur_policy,
core_dbs_info->freq_lo, CPUFREQ_RELATION_H);
} else {
dbs_check_cpu(dbs_data, cpu);
if (core_dbs_info->freq_lo) {
/* Setup timer for SUB_SAMPLE */
core_dbs_info->sample_type = OD_SUB_SAMPLE;
delay = core_dbs_info->freq_hi_jiffies;
}
}
max_delay:
if (!delay)
delay = delay_for_sampling_rate(od_tuners->sampling_rate
* core_dbs_info->rate_mult);
gov_queue_work(dbs_data, dbs_info->cdbs.cur_policy, delay, modify_all);
mutex_unlock(&core_dbs_info->cdbs.timer_mutex);
}如果sample_type是OD_SUB_SAMPLE时，表明上一次采样时，需要用高低两个频率来模拟实际的目标频率中的第二步：需要运行freq_lo，并且持续时间为freq_lo_jiffies。否则，调用公共层计算负载的API：dbs_check_cpu，开始一次新的采样，当powersave_bias没有设置时，该函数返回前，所需要的新的目标频率会被设置，考虑到powersave_bias的设置情况，判断一下如果freq_lo被设置，说明需要用高低两个频率来模拟实际的目标频率，高频率已经在dbs_check_cpu返回前被设置（实际的设置工作是在od_check_cpu中），所以把sample_type设置为OD_SUB_SAMPLE，以便下一次运行工作函数进行采样时可以设置低频率运行。最后，调度工作队列在下一个采样时刻再次运行，这样，cpu的工作频率实现了在每个采样周期，根据实际的负载情况，动态地设定合适的工作频率进行运行，既满足了性能的需求，也降低了系统的功耗，达到了cpufreq系统的最终目的，整个流程可以参考下图：
图 5.1 负载计算和频率选择