龙蜥开源Plugsched：首次实现Linux kernel调度器热升级

2022 年 4 月 1 日 AI前线

作者 | 陈善佩、吴一昊、邓二伟

策划 | 凌敏

Plugsched 是 Linux 内核调度器子系统热升级的 SDK，它可以实现在不重启系统、应用的情况下动态替换调度器子系统，毫秒级 downtime。Plugsched 可以对生产环境中的内核调度特性动态地进行增、删、改，以满足不同场景或应用的需求，且支持回滚。

基于 Plugsched 实现的调度器热升级，不修改现有内核代码，就能获得较好的可修改能力，天然支持线上的老内核版本。如果提前在内核调度器代码的关键数据结构中加入 Reserve 字段，可以额外获得修改数据结构的能力，进一步提升可修改能力。

Plugsched 开源链接：https://gitee.com/anolis/plugsched

Plugsched 可以解决什么问题

那么 Plugsched 诞生的背景或者想要解决的问题是什么？我们认为有以下 4 点：

应用场景不同，最佳调度策略不同。 应用种类极大丰富，应用特征也是千变万化（throughput-oriented workloads, 𝜇s-scale latency critical workloads, soft real-time, and energy efficiency requirements），使得调度策略的优化比较复杂，不存在“一劳永逸”的策略。因此，允许用户定制调度器满足不同的场景是必要的。
调度器迭代慢。 Linux 内核经过很多年的更新迭代，代码变得越来越繁重。调度器是内核最核心的子系统之一，它的结构复杂，与其它子系统紧密耦合，这使得开发和调试变得越发困难。此外，Linux 很少增加新的调度类，尤其是不太可能接受非通用或场景针对型的调度器，上游社区在调度领域发展缓慢。
内核升级困难。 调度器内嵌（built-in）在内核中，上线调度器的优化或新特性需要升级内核版本。内核发布周期通常是数月之久，这将导致新的调度器无法及时应用在生产系统中。再者，要在集群范围升级新内核，涉及业务迁移和停机升级，对业务方来说代价昂贵。
无法升级子系统。kpatch 和 livepatch 是函数粒度的热升级方案，可修改能力较弱，不能实现复杂的逻辑改动；eBPF 技术在内核网络中广泛应用，但现在调度器还不支持 ebpf hook，将来即使支持，也只是实现局部策略的灵活修改，可修改能力同样较弱。

Plugsched 能将调度器子系统从内核中提取出来，以模块的形式对内核调度器进行热升级。通过对调度器模块的修改，能够针对不同业务定制化调度器，而且使用模块能够更敏捷的开发新特性和优化点，并且可以在不中断业务的情况下上线。

图 1 plugsched: 业务不中断

使用 plugsched 具有以下 6 大优势：

与内核发布解耦：调度器版本与内核版本解耦，不同业务可以使用不同调度策略；建立持续运维能力，加速调度问题修复、策略优化落地；提升调度领域创新空间，加快调度器技术演进和迭代
可修改能力强 ：可以实现复杂的调度特性和优化策略，能人之所不能
维护简单：不修改内核代码，或少量修改内核代码，保持内核主线干净整洁；在内核代码 Tree 外独立维护非通用调度策略，采用 RPM 的形式发布和上线
简单易用：容器化的 SDK 开发环境，一键生成 RPM，开发测试简洁高效
向下兼容：支持老内核版本，使得存量业务也能及时享受新技术红利
高效的性能：毫秒级 downtime，可忽略的 overhead。

Plugsched 应用案例

Plugsched 相比 kpatch 和 livepatch 可修改能力更强，热升级范围更广，plugsched 是子系统范围的热升级，而后者是函数级别的热升级。对于 plugsched 而言，无论是 bugfix，还是性能优化，甚至是特性的增、删、改，都可胜任。 鉴于 plugsched 较强的可修改能力，它可应用到以下场景：

快速开发、验证、上线新特性，稳定后放入内核主线
针对不同业务场景做定制优化，以 RPM 包的形式发布和维护非通用调度器特性
统一管理调度器热补丁，避免多个热补丁之间的冲突而引发故障

应用案例 1：新增 Group Identity 调度特性

Group Identity 是阿里云用于混部场景的调度特性，它基于 CFS 调度器增加了一颗存储低优先级任务的红黑树，而且会对每一个 cgroup 分配一个默认优先级，用户也可自行配置其优先级，当队列中存在高优先级任务时，低优先级任务会停止运行。我们利用 plugsched 对 anck 4.19 的一个老版本内核（没有该调度特性）进行调度器热升级，并将 Group Identity 调度特性移植到生成的调度器模块中，涉及 7 个文件，2500+ 行的修改量。

安装该调度器模块后，在系统中创建两个 cpu cgroup A 和 B，并绑定同一个 CPU，分别设置最高和最低优先级，然后各自创建一个 busy loop 任务。理论上，当 A 中有任务执行时，B 中的任务会停止运行。此时用 top 工具查看该 CPU 利用率，发现只有一个利用率是 100% 的 busy loop 任务，说明模块中的 Group Identity 特性已生效；而动态卸载该模块后，出现了两个各占 50% CPU 的 busy loop 任务，说明模块已经失效。

应用案例 2：与内核发布解耦及定制化调度器

阿里云某客户使用的旧版本内核，由于该内核调度器对 load 的统计算法不合理，导致 CPU 利用率过高，虽然修复补丁已经合入内核主线，但是新内核版本还未发布，而且业务方也不打算更换内核，因为集群中部署了大量的业务，升级内核成本较高。

除此之外，客户的内核开发人员对其混部业务场景（Group Identity 调度特性）进行了针对性的优化，想将优化内容合入内核主线。但是，阿里云内核开发人员发现，该优化内容在其它场景中有性能回退，属于非通用优化，因此不允许将优化内容合入主线。

于是，客户的内核开发人员使用 plugsched 将优化修复内容全部移植到调度器模块中，最后规模部署。该案例可以体现出 plugsched 的与内核发布解耦、定制化调度器的优势。

如何使用 Plugsched

目前，plugsched 默认支持 Anolis OS 7（内核 ANCK-4.19 版本）系统，其它操作系统需要调整边界配置。为了减轻搭建运行环境的复杂度，我们提供了容器镜像和 Dockerfile，开发人员不需要自己去搭建开发环境。为了方便演示，这里购买了一台阿里云 ECS（64CPU + 128GB），并安装 Anolis OS 7.9 ANCK 系统发行版，我们将演示对其内核调度器进行热升级的过程。

1、登陆云服务器后，先安装一些必要的基础软件包：

# yum install anolis-repos -y # yum install podman kernel-debuginfo-$(uname -r) kernel-devel-$(uname -r) --enablerepo=Plus-debuginfo --enablerepo=Plus -y

2、创建临时工作目录，下载系统内核的 SRPM 包：

# mkdir /tmp/work # uname -r 4.19.91-25.2.an7.x86_64 # cd /tmp/work 
# wget https://mirrors.openanolis.cn/anolis/7.9/Plus/source/Packages/kernel-4.19.91-25.2.an7.src.rpm

3、启动并进入容器：

# podman run -itd --name=plugsched -v /tmp/work:/tmp/work -v /usr/src/kernels:/usr/src/kernels -v /usr/lib/debug/lib/modules:/usr/lib/debug/lib/modules docker.io/plugsched/plugsched-sdk # podman exec -it plugsched bash # cd /tmp/work

4、提取 4.19.91-25.1.al7.x86_64 内核源码：

# plugsched-cli extract_src kernel-4.19.91-25.2.an7.src.rpm ./kernel

5、进行边界划分与提取：

# plugsched-cli init 4.19.91-25.2.an7.x86_64 ./kernel ./scheduler

6、提取后的调度器模块代码在 ./scheduler/kernel/sched/mod 中，简单修改 __schedule 函数，然后编译打包成调度器 rpm 包：

diff --git a/kernel/sched/mod/core.c b/kernel/sched/mod/core.c
index f337607..88fe861 100644
--- a/kernel/sched/mod/core.c
+++ b/kernel/sched/mod/core.c
@@ -3235,6 +3235,8 @@ static void __sched notrace __schedule(bool preempt)
   struct rq *rq;
   int cpu;

+  printk_once("scheduler: Hi, I am the new scheduler!\n");
+
   cpu = smp_processor_id();
   rq = cpu_rq(cpu);
   prev = rq->curr;

# plugsched-cli build /tmp/work/scheduler

7、将生成的 rpm 包拷贝到宿主机，退出容器，并安装调度器包，调度器日志显示新修改的调度器已经生效：

# cp /usr/local/lib/plugsched/rpmbuild/RPMS/x86_64/scheduler-xxx-4.19.91-25.2.an7.yyy.x86_64.rpm /tmp/work
# exit
exit
# rpm -ivh /tmp/work/scheduler-xxx-4.19.91-25.2.an7.yyy.x86_64.rpm
# dmesg ｜ tail -n 10
[  878.915006] scheduler: total initialization time is        5780743 ns
[  878.915006] scheduler module is loading
[  878.915232] scheduler: Hi, I am the new scheduler!
[  878.915232] scheduler: Hi, I am the new scheduler!
[  878.915990] scheduler load: current cpu number is               64
[  878.915990] scheduler load: current thread number is           626
[  878.915991] scheduler load: stop machine time is            243138 ns
[  878.915991] scheduler load: stop handler time is            148542 ns
[  878.915992] scheduler load: stack check time is              86532 ns
[  878.915992] scheduler load: all the time is                 982076 ns

Plugsched 实现原理

我们通过以上知道了 Plugsched 是什么、应用案例，那它实现原理是什么？

调度器子系统在内核中并非是一个独立的模块，而是内嵌在内核中，与内核其它部分紧密相连。

Plugsched 采用“模块化”的思想： 它提供了边界划分程序，确定调度器子系统的边界，把调度器从内核代码中提取到独立的目录中，开发人员可对提取出的调度器代码进行修改，然后编译成新的调度器内核模块，动态替换内核中旧的调度器。对子系统进行边界划分和代码提取，需要处理函数和数据，而后生成一个独立的模块。

对于函数而言， 调度器模块对外呈现了一些关键的函数，以这些函数为入口就可以进入模块中，我们称之为接口函数。通过替换内核中的这些接口函数，内核就可以绕过原有的执行逻辑进入新的调度器模块中执行，即可完成函数的升级。模块中的函数，除了接口函数外，还有内部函数，其它的则是外部函数。

对于数据， 调度器模块默认使用并继承内核中原有的数据，对于调度器重要的数据，比如运行队列状态等，可以通过状态重建技术自动重新初始化，这类数据属于私有数据，而其它则是共享数据。为了灵活性，plugsched 允许用户手动设置私有数据，手动设置的私有数据会在模块中保留定义，但需要对它们进行初始化。

对于结构体而言，plugsched 将只被调度器访问的结构体成员分类为内部成员，其它为非内部成员。调度器模块允许修改内部成员的语义，禁止修改非内部成员的语义。如果结构体所有成员都是内部成员，则调度器模块允许修改整个结构体。但是，建议优先使用结构体中的保留字段，而不是修改现有成员。

Plugsched 设计方案

Plugsched 主要包含两大部分，第一部分是调度器模块边界划分与代码提取部分，第二部分是调度器模块热升级部分， 这两部分是整个方案的核心。其整体设计方案如下：

图 2 plugsched 整体架构

首先进行的是调度器模块边界划分和代码提取流程，由于调度器本身并不是模块，因此需要明确调度器的边界才能将它模块化。边界划分程序会根据边界配置信息（主要包含代码文件、接口函数等信息）从内核源代码中将调度器模块的代码提取到指定目录，然后开发人员可在此基础上进行调度器模块的开发，最后编译生成调度器 RPM 包，并可安装在对应内核版本的系统中。安装后会替换掉内核中原有的调度器，安装过程会经历以下几个关键过程：

符号重定位： 解析模块对部分内核符号的访问
栈安全检查： 类似于 kpatch，函数替换前必须进行栈安全检查，否则会出现宕机的风险。plugsched 对栈安全检查进行了并行和二分优化，提升了栈安全检查的效率，降低了停机时间
接口函数替换： 用模块中的接口函数动态替换内核中的函数
调度器状态重建： 采用通用方案自动同步新旧调度器的状态，极大的简化数据状态的一致性维护工作

总结

基于以上介绍，整体来看，Plugsched 使得调度器从内核中解放出来，开发人员可以对调度器进行专项定制，而不局限于内核通用调度器；内核维护也变得更加轻松，因为开发人员只需要关注通用调度器的开发与迭代，定制化调度器可通过 RPM 包的形式进行发布；内核调度器代码也会变得简洁，无需再被各个场景的优化混淆起来。

未来，plugsched 会支持新版本内核和其它平台，持续对其易用性进行优化，并提供更多的应用案例。最后，欢迎更多的开发者能参与到 plugsched 中。

本文作者： 龙蜥社区内核开发人员陈善佩、吴一昊、邓二伟。