在linux中，支持对称smp的处理器模型，在多处理器的情况下，每个处理器都有自己的一个运行队列，这样就存在着分配不均的情况，有的cpu运行队列很多进程，导致一直很忙，有的cpu运行队列可能很少的进程甚至没有任何运行进程，导致cpu经常处于空转的状态，因此我们需要一种机制，来均衡各个cpu上运行队列的进程数。

1数据结构

为了支持多种多处理器模型，linux提出了调用域及组的概念，一个调用域可以包含其它的调用域或者多个组，一个组通常包含一个或者多个cpu，组的数据结构是：

struct sched_group {

struct sched_group *next;//一个调用域可能会包含多个组，该next用于将//sched_group串到调用域的链表上面

cpumask_t cpumask; //每个group中可能会包含一个或者多个cpu，这里的mask表//示了该group所包含的cpu

unsigned long cpu_power;//通常是cpu的个数

};

下面是调用域的数据结构：

struct sched_domain {

struct sched_domain *parent;//调用域可以被别的调用域所包含，parent指向父调用域

struct sched_group *groups;//该调用域所包含的组

cpumask_t span;

unsigned long min_interval;//最小的时间间隔，用于检查进行负载均衡操作的时机是否到了

unsigned long max_interval; //同上

unsigned int busy_factor;   //当处理器在不空闲的状态下时，进行负载均衡操作的时间间隔一般也长很多，该factor为其乘数银子

unsigned int imbalance_pct;

unsigned long long cache_hot_time;

unsigned int cache_nice_tries;

unsigned int per_cpu_gain;

int flags;

unsigned long last_balance;

unsigned int balance_interval;  //负载均衡进行的时间间隔

unsigned int nr_balance_failed; //负载均衡迁移进程失败的次数

};

下图表现出了调用域和组之间的关系，这里我们关注2-cpu的smp和8-cpu的numa;2-cpu的SMP有一个调用域，调用域含两个组，每个组含有一个cpu；8-cpu的numa中包含两个调用域，最底层的调用域代表一个节点，每个最底层的调用域包含四个组，每个组有1个cpu，上层调用域包含两个基础的调用域。

2进行cpu负载均衡的时机

每经过一次时钟中断，scheduler_tick()就调用rebalance_tick()函数，rebalance_tick()函数会去触发cpu运行队列的负载均衡操作。该函数从最底层的调度域开始，一直到最上层的调度域进行检查，对于每个调度域都去查看是否到了调用load_balance()函数的时间，该函数会进行cpu的负载均衡操作。由当前cpu的idle状态和sched_domain的参数来确定调用load_balance()的时间间隔。

3 2-cpu smp和8-cpu numa cpu模型的调用域初始化

对调用域的初始化部分的代码在linux2.6.11版本里面是在arch_init_sched_domains()函数中，被sched_init_smp()函数所调用。

在sched.c中定义了一个数组static struct sched_group sched_group_phys[NR_CPUS];每个数组元素代表一个cpu组。另外定义了一个每cpu变量Sched.c (kernel):static DEFINE_PER_CPU(struct sched_domain, phys_domains);，系统为每个物理cpu都生成了一个调度域数据结构。

对于2-cpu smp的情形来说，其初始化后，调度域和各个组之间的关系是：

在这个里面虽然每个cpu都有个调度域的数据结构，但调度域的groups链表指向的都是同一个group链表

8-cpu numa的组和调度域关系：

4cpu负载均衡的源码解析

4.1rebalance_tick()

staticvoidrebalance_tick(intthis_cpu, runqueue_t *this_rq,

enumidle_type idle)

{

unsigned longold_load, this_load;

unsigned longj = jiffies + CPU_OFFSET(this_cpu);

structsched_domain *sd;

//当前运行队列中可运行的进程数决定了当前运行队列的

//cpu_load参数

old_load = this_rq->cpu_load;

this_load = this_rq->nr_running * SCHED_LOAD_SCALE;

if(this_load > old_load)

old_load++;

//将运行队列的cpu load值设定为上一次的cpu_load和本次cpu_load的平均值

this_rq->cpu_load = (old_load + this_load) / 2;

//从该cpu所属的调度域开始，依次遍历各个更高级的调用域

for_each_domain(this_cpu, sd) {

unsigned longinterval;

//在该调度域上不需要做负载均衡

if(!(sd->flags & SD_LOAD_BALANCE))

continue;

//若当前cpu不处于空闲状态的话，其调用load_balance的时间间隔会比较长

interval = sd->balance_interval;

if(idle != SCHED_IDLE)

interval *= sd->busy_factor;

//将时间间隔ms转换成jiffies

interval = msecs_to_jiffies(interval);

if(unlikely(!interval))

interval = 1;

//当前的时间戳和上次balance的时间大于其间隔的话，调用load_balance进行负载的均衡

if(j - sd->last_balance >= interval) {

//load_balance会去寻找最繁忙的cpu组中的最繁忙的cpu，将其进程迁移过来一部分

if(load_balance(this_cpu, this_rq, sd, idle)) {

/* We've pulled tasks over so no longer idle */

idle = NOT_IDLE;

}

sd->last_balance += interval;

}

}

}

4.2load_balance()

staticintload_balance(intthis_cpu, runqueue_t *this_rq,

structsched_domain *sd,enumidle_type idle)

{

structsched_group *group;

runqueue_t *busiest;

unsigned longimbalance;

intnr_moved;

spin_lock(&this_rq->lock);

schedstat_inc(sd, lb_cnt[idle]);

//查找最繁忙的cpu组

group = find_busiest_group(sd, this_cpu, &imbalance, idle);

//所有的组都是平衡的，不需要做均衡

if(!group) {

schedstat_inc(sd, lb_nobusyg[idle]);

gotoout_balanced;

}

//找到最繁忙的组中最繁忙的运行队列

busiest = find_busiest_queue(group);

if(!busiest) {

schedstat_inc(sd, lb_nobusyq[idle]);

gotoout_balanced;

}

//最繁忙的运行队列是当前cpu的运行队列，不需要做均衡

if(unlikely(busiest == this_rq)) {

WARN_ON(1);

gotoout_balanced;

}

schedstat_add(sd, lb_imbalance[idle], imbalance);

nr_moved = 0;

if(busiest->nr_running > 1) {

double_lock_balance(this_rq, busiest);

//将imbalance个进程从最繁忙的运行队列上迁移到当前的cpu运行队列上面

nr_moved = move_tasks(this_rq, this_cpu, busiest,

imbalance, sd, idle);

spin_unlock(&busiest->lock);

}

spin_unlock(&this_rq->lock);

//nr_moved == 0,表示没有迁移成功

if(!nr_moved) {

schedstat_inc(sd, lb_failed[idle]);

sd->nr_balance_failed++;

if(unlikely(sd->nr_balance_failed > sd->cache_nice_tries+2)) {

intwake = 0;

spin_lock(&busiest->lock);

//active_balance表明该运行队列是否唤醒迁移线程来进行负载均衡，

//push_cpu记录了由哪个cpu来唤醒了其迁移线程

if(!busiest->active_balance) {

busiest->active_balance = 1;

busiest->push_cpu = this_cpu;

wake = 1;

}

spin_unlock(&busiest->lock);

//唤醒最繁忙运行队列上的迁移内核线程，对进程进行迁移

if(wake)

wake_up_process(busiest->migration_thread);

sd->nr_balance_failed = sd->cache_nice_tries;

}

if(sd->balance_interval max_interval)

sd->balance_interval++;

} else{

sd->nr_balance_failed = 0;

//进程迁移成功，重置调用域的balance_interval参数

sd->balance_interval = sd->min_interval;

}

returnnr_moved;

out_balanced:

spin_unlock(&this_rq->lock);

/* tune up the balancing interval */

//不需要进行进程的迁移，适当的加大负载均衡的间隔时间，说明

//当前的负载均衡做的比较好

if(sd->balance_interval max_interval)

sd->balance_interval *= 2;

return0;

}

4.3move_tasks()

staticintmove_tasks(runqueue_t *this_rq,intthis_cpu, runqueue_t *busiest,

unsigned longmax_nr_move,structsched_domain *sd,

enumidle_type idle)

{

prio_array_t *array, *dst_array;

structlist_head *head, *curr;

intidx, pulled = 0;

task_t *tmp;

if(max_nr_move <= 0 || busiest->nr_running <= 1)

gotoout;

//先从过期队列上进行进程的迁移，这样对硬件cache的

//影响比较小

if(busiest->expired->nr_active) {

array = busiest->expired;

dst_array = this_rq->expired;

} else{

array = busiest->active;

dst_array = this_rq->active;

}

new_array:

idx = 0;

skip_bitmap:

//从优先级最高的可运行进程开始进行迁移

if(!idx)

idx = sched_find_first_bit(array->bitmap);

else

idx = find_next_bit(array->bitmap, MAX_PRIO, idx);

if(idx >= MAX_PRIO) {

if(array == busiest->expired && busiest->active->nr_active) {

array = busiest->active;

dst_array = this_rq->active;

gotonew_array;

}

gotoout;

}

//找到对应优先级队列的队列末尾的进程，该进程应该是被

//放入的最早的一个进程了

head = array->queue + idx;

curr = head->prev;

skip_queue:

tmp = list_entry(curr, task_t, run_list);

curr = curr->prev;

//判断该进程能否进行迁移

if(!can_migrate_task(tmp, busiest, this_cpu, sd, idle)) {

//该优先级别的队列是否遍历完毕

if(curr != head)

gotoskip_queue;

idx++;

//该优先级别的任务队列遍历完毕，去遍历下一个优先级的任务队列

gotoskip_bitmap;

}

schedstat_inc(this_rq, pt_gained[idle]);

schedstat_inc(busiest, pt_lost[idle]);

//将队列迁移到本地的任务队列

pull_task(busiest, array, tmp, this_rq, dst_array, this_cpu);

pulled++;

if(pulled

//该优先级别的队列是否遍历完毕

if(curr != head)

gotoskip_queue;

idx++;

//该优先级别的任务队列遍历完毕，去遍历下一个优先级的任务队列

gotoskip_bitmap;

}

out:

returnpulled;

}