Scheduler · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

NOHZ

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 위치와 링크를 맞춘 원본 코드 분석 노트입니다. tickless idle와 scheduler accounting.

전체 흐름

스케줄러는 실행 가능한 태스크를 우선순위, CPU 처리 용량, 에너지 사용량, 격리 조건에 맞춰 배치한다. 한 함수가 맞는지만 보면 안 되고, enqueue/dequeue/update/pick/migrate 사이의 conservation law를 봐야 한다.

핵심 확인 사항

함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.

오류 처리 확인

정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.

그림 1. NOHZ 이 kernel 안에서 놓이는 위치
task_structstate, policy, cpus_allowed, se
→
sched_entityvruntime, load_avg, cgroup entity
→
rq / cfs_rqper-CPU runnable set and clock
→
context switchpick_next_task, switch_to, accounting

왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 대조한다.

소스 코드 위치

먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 파일

원본 코드:
Linux 6.18.37 LTS: kernel/time/tick-sched.c
Linux 6.18.37 LTS: kernel/sched/core.c
Linux 6.18.37 LTS: kernel/rcu/tree_plugin.h

설명: 진입 함수가 있는 파일과 구조체 정의, 아키텍처별 연결 코드, 콜백 구현을 함께 확인한다. 여러 파일을 대조해야 호출 관계와 각 코드의 역할을 알 수 있다.

대표 코드

tick_nohz_idle_enter

원본 코드: kernel/time/tick-sched.c, 1150행 부근
	 */
	timer_clear_idle();
}

/**
 * tick_nohz_idle_enter - prepare for entering idle on the current CPU
 *
 * Called when we start the idle loop.
 */
void tick_nohz_idle_enter(void)
{
	struct tick_sched *ts;

	lockdep_assert_irqs_enabled();

	local_irq_disable();

	ts = this_cpu_ptr(&tick_cpu_sched);

	WARN_ON_ONCE(ts->timer_expires_base);

	ts->inidle = 1;
	tick_nohz_start_idle(ts);

	local_irq_enable();
}

/**
 * tick_nohz_irq_exit - update next tick event from interrupt exit
 *
 * When an interrupt fires while we are idle and it doesn't cause
 * a reschedule, it may still add, modify or delete a timer, enqueue
 * an RCU callback, etc...
 * So we need to re-calculate and reprogram the next tick event.
 */
void tick_nohz_irq_exit(void)
{
	struct tick_sched *ts = this_cpu_ptr(&tick_cpu_sched);

	if (ts->inidle)

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

nohz_balance_enter_idle

원본 코드: kernel/time/tick-sched.c, 1132행 부근
		ts->idle_sleeps++;
		ts->idle_expires = expires;

		if (!was_stopped && ts->tick_stopped) {
			ts->idle_jiffies = ts->last_jiffies;
			nohz_balance_enter_idle(cpu);
		}
	} else {
		tick_nohz_retain_tick(ts);
	}
}

void tick_nohz_idle_retain_tick(void)
{
	tick_nohz_retain_tick(this_cpu_ptr(&tick_cpu_sched));
	/*
	 * Undo the effect of get_next_timer_interrupt() called from
	 * tick_nohz_next_event().
	 */
	timer_clear_idle();
}

/**
 * tick_nohz_idle_enter - prepare for entering idle on the current CPU
 *
 * Called when we start the idle loop.
 */
void tick_nohz_idle_enter(void)
{
	struct tick_sched *ts;

	lockdep_assert_irqs_enabled();

	local_irq_disable();

	ts = this_cpu_ptr(&tick_cpu_sched);

	WARN_ON_ONCE(ts->timer_expires_base);

	ts->inidle = 1;

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

함수별 분석

idle 또는 full-dynticks CPU에서 scheduler tick을 줄이면서도 accounting과 RCU progress를 유지하는 경로다.

원본 코드를 함수별로 나누어 살펴본다. 각 함수가 준비하는 값과 다음 함수가 그 값을 사용하는 방식을 확인한다.

그림 2. NOHZ 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
→
tick_nohz_idle_entertick stop 후보
→
nohz_balance_enter_idleperiodic interrupt 감소
→
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 단계의 입력과 처리 결과를 연결해 본다. 다음 단계로 넘어가기 전에 바뀌는 필드를 코드에서 확인한다.

1. tick_nohz_idle_enter

tick_nohz_idle_enter 주변에서는 tick_sched를 중심으로 본다. 이 필드는 CPU별 tickless state 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 idle entered 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 tick stop 후보을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: tick이 없으면 time accounting도 없다고 착각함

2. nohz_balance_enter_idle

nohz_balance_enter_idle 주변에서는 nohz_idle_balance를 중심으로 본다. 이 필드는 idle CPU balancing flag 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 tick stopped 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 periodic interrupt 감소을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: RCU quiescent state와 scheduler idle을 동일시함

함수입력상태 변경확인할 사항
tick_nohz_idle_entertick_sched, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건idle entered: tick stop 후보tick이 없으면 time accounting도 없다고 착각함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
nohz_balance_enter_idlenohz_idle_balance, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건tick stopped: periodic interrupt 감소RCU quiescent state와 scheduler idle을 동일시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

구조체의 필드를 언제 바꿀 수 있고 다른 코드가 언제 읽을 수 있는지 확인한다. 필드의 의미와 함께 잠금 등 접근을 보호하는 규칙을 살펴본다.

그림 3. NOHZ 핵심 필드 연결
tick_schedCPU별 tickless state
→
nohz_idle_balanceidle CPU balancing flag
→
rcu_dynticksRCU quiescent state accounting
→
rq->nohz_flagsscheduler side flag

각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.

어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.

필드읽는 법
tick_schedCPU별 tickless state
nohz_idle_balanceidle CPU balancing flag
rcu_dynticksRCU quiescent state accounting
rq->nohz_flagsscheduler side flag

실행 단계와 상태 변화

실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.

그림 4. NOHZ 실행 단계
idle enteredtick stop 후보
→
tick stoppedperiodic interrupt 감소
→
remote accounting다른 CPU가 balance 필요 표시
→
tick restartedevent or workload로 복귀

화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
idle enteredtick stop 후보앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
tick stoppedperiodic interrupt 감소앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
remote accounting다른 CPU가 balance 필요 표시앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
tick restartedevent or workload로 복귀앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
NOHZ 검토 기준 = 상태 변화 + 소유권 변화 + 외부 공개 시점

불변 조건과 실패 사례

lifetime

NOHZ의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.

오류 복구

중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.

bring-up symptom

임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.

주의

tick이 없으면 time accounting도 없다고 착각함

주의

RCU quiescent state와 scheduler idle을 동일시함

주의

NOHZ full과 idle nohz를 섞음

계측과 검증

로그를 무작정 추가하지 말고 확인할 가설을 먼저 세운다. 상태표에서 처리가 멈춘 단계를 찾은 뒤, 상태를 바꾸는 함수와 그 결과를 사용하는 함수를 함께 살펴본다.

로그가 출력되었다고 처리가 끝난 것으로 판단하지 않는다. 원본 코드에서 로그 앞뒤의 필드 변경을 확인한다.

도구보는 것
trace_tick_stopNOHZ 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
rcu_dyntickNOHZ 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
osnoise tracerNOHZ 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
/sys/devices/system/cpu/nohz_fullNOHZ 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
기본 추적 경로:
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

추가 확인 사항

  • NOHZ 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
  • NOHZ 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
  • 실험으로 확인한다면 'tick이 없으면 time accounting도 없다고 착각함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
  • 실험으로 확인한다면 'RCU quiescent state와 scheduler idle을 동일시함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?