util_est结构体的作用

(本文基于5.10.198版本讨论) 

1. 概述

sched_avg结构体包含util_est结构体类型的字段util_est。sched_avg其他的字段因为在负载追踪算法(PELT)的计算中有重要的作用，相关的文章讨论的非常多。util_est字段的相关讨论相对较少。

关于util_est字段的作用，最常见的描述就是：

util_est计算进程休眠之前的平均占用率指标(util_avg)，在进程重新唤醒的时候使用。

被长时间阻塞的进程，其被唤醒的时候，因为PELT算法在计算平均占用率(util_avg)指标的时候会进行衰减计算，导致阻塞前占用率非常高的进程，在衰减计算后变得非常小。这可能导致调度器认为这是个占用率很低的进程， 这样可能会使得与占用率密切相关的其他数值计算出现偏差。比如CPU的频率与占用率指标密切相关，偏小的占用率数值会让CPU没有及时的调节到正确的频率上。

那么，util_est的作用是这样的吗？

2. util_est结构体字段的计算

util_est结构体有两个字段。与之密切相关的还有两个宏定义。都定义在include/linux/sched.h头文件中。

util_est结构体的计算主要在进程enqueue和dequeue的时候。

在dequeue_task_fair中：

util_est_dequeue函数主要对CFS队列的util_est进行更新。

util_est_update函数主要对要出队进程的util_est结构体进行更新。

我们首先分析dequeue_task_fair函数。该函数首先确认是否开启了UTIL_EST特性：

没有开启则直接返回。

首先取出enqueued字段数值。

然后减去出队进程经过_task_util_est函数计算返回的数值：

最后将计算后的enqueued数值写回：

这里看一下_task_util_est函数的实现。

可以看到_task_util_est返回的就是util_est结构体的两个字段，enqueued和ewma比较后的较大值。

util_est_dequeue的计算完全在情理之中，任务出队的时候，CFS队列的util_est将出队任务的util_est值减去。

接下来分析一下util_est_update的实现。

util_est_update主要关注的是进程util_est数据的更新。对于enqueued字段，直接赋值为task_util的返回值，也就是se.avg.util_avg的值。关于util_est的功能，相关文章常说的将（尤其是休眠时间长的）进程在睡眠之前保存其原来的util_avg数值留待唤醒时使用，就是在这里保存的。

接下来是关于ewma字段的计算。

EWMA是Exponential Weighted Moving Average的缩写。其计算方式在util_est_update中有描述：

其实是公式的变形和化解过程。最有信息价值的是第一行和最后一行。第一行解释了ewma的计算思想，最后一行决定了代码如何实现。

首先看第一行，w是个权重值，其值是，相应的1 – w自然就是了。task_util取的是进程当前的util_avg数值，ewma(t-1)取的是之前的ewma数值。

经过权重计算的结果就是新的ewma数值。

最后一行，先看last_ewma_diff的计算，其实是enqueued和ewma的差值：

旧的(现在的)ewma先乘以权重，也就是ewma(t-1)/w,因为w是分数，所以向左位移：

再加上last_ewma_diff：

最后上面计算的和再乘以权重，因为w是分数，所以等同于乘以4。

这样就完成了两个字段数值部分的更新。因为enqueued字段的最高位标识该字段是否设置后有改动，置1为未改动，置0为改动。

这里刚刚设置完毕，将其置1。结束util_est_update的执行。

相比于util_est_dequeue，util_est_enqueue的操作只关注CFS队列的util_est字段的更新。

首先获取现在的enqueued数值：

然后加上入队进程的util_est数值：

最后更新enqueued字段：

3. util_est结构体的应用

util_est在调度器中得到充分应用的有cpu_util_next和cpu_util两个函数。

cpu_util_next函数的原型为：

其功能是预测如果进程p迁移到dst_cpu的话，cpu的平均占用率会是多少，预测值作为返回值返回。

下面我们看一下这个函数的实现，尤其是对util_est结构体数据的利用。

如果进程就在参数cpu上，迁移到另一颗cpu，那么直接用CFS队列的平均占用率(util_avg)指标自减去任务p的平均占用率(util_avg)。

如果如果进程既不在参数cpu上，也不在目标cpu上，且评估的就是目标cpu在任务迁移后的平均占用率，则直接用现在CFS队列的占用率数据加上新入队的任务的平均占用率即可。

下面的计算涉及到了util_est。

首先确认UTIL_EST特性的开启。

其次先读取现在CFS的enqueued数值，保存在变量util_est中。

如果要评估的就是目标cpu，则直接在util_est的基础上累加迁移进程p的util_est数据(_task_util_est前面读过了，这里不再分析)，最后将util和util_est做对比，去较大者保存在util变量中。

当然，无论如何，估计的平均占用率是不能超过cpu的名义算力的，所以在名义算力和计算的util之间做比较，较小者作为cpu_util_next的计算结果返回。

cpu_util_next函数非常重要的一个应用是在进程唤醒的时候。在开启了EAS特性的内核中，调度器在评价进程放置在可选的不同CPU上后的能耗比，选择最佳者作为放置进程的目标。这个过程要依赖cpu_util_next函数进行计算。相关的计算逻辑在函数find_energy_effient_cpu和compute_energy中。

util_est另一处发挥作用的地方在函数cpu_util函数中。

cpu_util是个被多处调用的函数，能够获取CPU被用于CFS进程的算力。其实现如下，我们重点关注util_est在其中发挥的作用。

首先，取出CFS队列的占用率数据，保存在变量util中：

如果使能了UTIL_EST特性，则取enqueued数据，和util比较，较大者保存在变量util中。

最后，当然，数值不应该超过CPU的名义算力。

4. 总结

从上面的分析来看，第一节的问题是肯定的。util_est在进程唤醒选核的时候发挥着重要作用，让EAS特性能够通过计算预估值发挥作用。cpu占用率的计算也纳入util_est数据作为考量，使得CPU占用率相关的计算(比如CPU频率)更加准确。