Linux 系统性能评测基准系统配置及其原理

概要

开发人员在高性能系统的性能调优过程中，经常会碰到各种背景的噪声干扰， 从而使得收集的数据不够精确。本文主要从CPU 以及Linux操作系统的角度来分析各种噪声的来源以及消除方法。最终的目标是搭建基准平台，在特定的cpu上实现”0”干扰。

Cpu 运行中存在的几种背景噪声干扰来源

1. 调度器：

进程调度器对于系统的影响几乎无处不在， Linux 内核一般来说是使用公平的分时调度策略（CFS）。需要特定的参数来调整调度器的行为，从而尽量减少对于测量进程的干扰。

2.中断：

中断是系统必须要响应的事件， 具有较高优先级，可以抢占普通的用户进程。

• a. 硬件中断
  主要来自外部事件， CPU需要非常及时的响应。比如最常见的IO，时钟，Linux 内核支持的硬件中断数量众多，需要注意亲和性配置。可以取消响应一些比较特殊的中断。

• b. 软中断 Softirq
  软中断是硬件中断处理的衍生子系统。LInux 硬件中断响应只需要处理一些必须立即响应的操作， 而将一些可以延后处理的操作移交给软中断。Linux 中的有10类软中断， 后续我们将会分析。

• c. Workqueue
  Workqueue 也是LInux中常见的一类延迟操作的任务类型

3. 电源管理 ：

现代处理器通常为了更高效的利用能源，都会支持一些高级电源管理的功能。这些电源管理的功能如果使用不当也会对于性能评测造成影响。

4. 时间源：

如果要进行性能评测， 就离不开时间戳。所以时间戳的正确采集方法也是至关重要的。

以上这几种因素往往是互相交织的， 比如进程调度器需要时钟中断来驱动， 电源管理子系统需要调度器来驱动 。时间戳的采集和微架构也是息息相关的。下面我们将通过案例逐一分析。

系统配置案例

• 系统配置信息：

1. CPU: Intel 9900KF P1 Frequency 3.6Ghz 1-core Turbo 5.0Ghz HT-disabled

2. RAM: 16GB DDR4-3200

3. Ubuntu 19.04: Kernel 5.0.0-38-generic X86_64

4. Boot Parameter:

5. BOOT_IMAGE=/boot/vmlinuz-5.0.0-38-generic

6. root=UUID=697aea9f-2de2-4b9c-921d-5bd5f963c91f ro ipv6.disable=1

   isolcpus=7 nohz_full=7 mce=off tsc=reliable no_watchdog irqaffinity=0hpet=disablequiet splash vt.handoff=1

• 基准系统配置目标：

在baremetal 机器上(vt-x 环境下配置会更加复杂难以精确控制）， 將 Core 7 隔离在调度器之外， 最大程度的减少各种因素对于Core 7的干扰。

• 启动参数详解:

  标有红色的这些启动参数都是我们下面要来详细分解的
  

• isolcpus = managed_irq cpuslist
  Isolcpus 主要是将目标cpu 从调度器的调度算法中隔离出来。也就是说从用户进程的角度来说，调度器不会主动调度任何进程到目标cpu上来。但是仅仅靠这个参数仍然不能保证所有软/硬中断和一些其他的内核组件不会运行在目标的cpu上。

• nohzfull = cpulist
  这个参数还有一个相对弱化的版本nohz。nohz 的含义是在目标cpu的runqueue上没有任何可调度实体时，cpu 进入idle状态， 在此情况下 该cpu停止 时钟tick（缺省是10ms一次）。那么nohzfull就更进一步， 在runqueue上只有一个活动的实体的时候也会停止时钟tick。这样就会大大减少对正在运行的唯一的进程的干扰（不是100%消除）。值得注意的是在非服务器版本的内核中 nohzfull一般是没有打开的，需要重新编译内核。大家可以检查对应的内核编译选项 CONFIGNOHZFULL=y。如果没有打开则会在启动日志中显示警告。同时nohzfull 也就隐含了rcunocbs= cpulist
  

下图是成功打开选项的日志

下图是没有打开编译选项的报错信息


在内核的Timer System 中修改选项

• Nowatchdog
  关闭所有的软/硬件 死锁监测

• hpet=disable, tsc= reliable
  这部分主要是针对时间子系统。hpet=disable 主要是避免hpet产生过多的中断干扰系统。tsc= reliable 标记tsc 为可靠的， 减少运行时，时间源校验。在我们的验证过程中， 这个参数对于减少jitter有较大帮助

• mce=off disable machine check to avoid interrupt
  Machine checking 是一种高级的RAS 功能，对于产品环境非常重要， 但是对于评测环节我们先禁止掉它。

软硬中断的隔离

• Disable irqblance service

  我们并不希望任何硬件中断被发送到core 7上

  所以我们需要disable  irqblance service

• Take care irq affinity

  硬件中断的亲和性也需要注意。   

  同样是避免任何硬件中断被发送到core 7     

• 修改

  /sys/devices/virtual/workqueue/cpumask to 1

  效果对比截图

  下图是/proc/interrupts

  下图是 /proc/softirqs

  下图是htop显示的信息， 可以观察到core 7上的可调度实体已经压缩到了最少

MSR

MSR(ModelSpecific Register) 是配置处理器和获取处理器状态信息的关键接口。 MSR 主要分为两类。 

• Per-Core  MSR

这类的MSR 的读写指令都必须本地的core执行，所以要尽量避免从其它的core上来读写。例如 从core 7 上读写Core     3 。这样LInux kernel 还需要调度这个读写操作到目标core3     上来 会带来不必要的延迟。同时 如果在用户层（ring3）中试图读写msr 也需要切换到kernel 来完成这个操作(通过IPI，CAL 中断）。也会对应用有干扰. 对于性能评测来说最典型的就是APERF/MPERF， 以及HWP对应的MSR，     以及PMU的配置接口 MSR 都是Per-Core。访问Per-MSR的延迟 无法完全避免，所以要注意采样的频率，防止过度采样。

• Un-Core MSR
  

这类MSR 并不属于任何具体的core，是公共资源。最典型的就是UNCORE_RATIO_LIMIT MSR。Un-Core MSR可以从任一core发起读写。只要避免从正在评测的core发起读写即可

通常来讲， MSR需要通过 加载内核模块 msr（/dev/msr), 之后通过rdmsr/wrmsr 工具来操作。  

电源管理

Linuxkernel 中的电源管理主要由以下的两个子系统来完成。在kernel 4.10以后， 电源管理系统是由调度器来触发。

•     Cpufreq

      Cpuf Freq 子系统主要管理在C0状态下 处理器频率的调整，主要由两部分组成

1. Cpufreq driver 

   主要是针对各种不同硬件适配的对应的调频驱动程序

2. Cpufreq governor 

   主要是各种不同的调频策略

        X86环境下主要有两种选择

1. acpi_cpufreq  driver 以及其对应的7种governor

   见参考链接：

   https://www.kernel.org/doc/html/v4.14/admin-guide/pm/cpufreq.html
   

2. Intel_pstate  driver 及其对应的2种governor

   （这是系统缺省的配置）

   intel_pstate driver 是比较特别的驱动，相比于其它平台。intel_pstate driver 主要是利用x86 的HWP 硬件特性来调整频率。提供了有限的可定制策略。自动化程度更好，overhead更少。

Sysfs entries

1. 见参考链接：

   https://www.kernel.org/doc/html/v4.14/admin-guide/pm/cpufreq.html

• CpuIdle

     Cpu idle 子系统主要管理在C1-C7状态下 处理器idle状态调整， 主要由两部分组成

1. Cpu idle  driver 

   主要是针对各种不同硬件适配的对应的idle驱动程序

2. Cpu idle  governor 

   主要是各种不同的idle 时长策略

    X86环境下主要有两种选择

1. acpi_idle  driver      

   缺省是menu governor

2. Intel_idle driver 

   缺省是menu governor（这是系统缺省的配置, ladder 需要重新编译内核）    

     Sysfs entries（见参考链接）

            参考链接：

https://www.kernel.org/doc/html/latest/admin-guide/pm/cpuidle.html

推荐的配置方法：

1. 在BIOS中，Disable Turbo

2. 应用power.py[2] 脚本锁定目标core的频率（或者在BIOS 中disable     Pstate）

3. 设定内核参数  intel_idle.max_cstate=1. 

   如果需要彻底禁止idle 推荐 processor.max_cstate=0 ，idle=poll  

   这里需要注意 intel_idle.max_cstate=0只是disable intel_idle driver  转而使用 acpi_idle driver

   根据workload特点  调整   UNCORE_RATIO_LIMIT  的min/max ratio 

IPI，TLB Shootdown优化

    进程隔离会减少shootdown，  但是内核部分做不到隔离地址空间。仍然会导致一定数量的tlb shootdown。 禁用 VT-X 减少 IPI.

MSR不要过采样！因为per core 的MSR读写操作从非本地core调用，LInux 是通过IPI 调度到目标core上执行

除此之外, 调度算法/NUMA Aware/L3Cache QoS(RDT)/SMM-BMC/SmartEngine等模块都会对系统性能测试有着噪音干扰， 敬请期待后续内容~

Reference

1. Intel SDM

2. Power.py

   https://github.com/intel/CommsPowerManagement

3. https://www.kernel.org/doc/Documentation/kernel-per-CPU-kthreads.txt

(END)

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