基于锁感知的多处理机VCPU调度系统

发布时间：2020-06-06 14:15

【摘要】：多处理机系统中引入虚拟化,会带来很大的优势——多处理机系统使得虚拟化技术能够应用更多原本可能会被浪费的处理器周期和计算资源,从而实现集中化计算和资源的动态分配,充分利用了系统资源,将性能提升到一个新的高度。但同时,多处理机系统中引入虚拟化之后,也引发了一些问题,锁持有者抢占问题就是其中之一。从设计上来说,自旋锁只能持有很短的时间。但如果一个虚拟机的某个VCPU被抢占的时候持有锁的话,这一点就不再成立——这个虚拟机的其他正在运行的VCPU有可能申请并等待这个锁的释放,这就导致了锁持有时间延长,大量处理器周期被浪费,极大地影响了性能和可扩展性。 锁感知的多处理机VCPU调度系统提供了一种多处理机虚拟化环境下的VCPU调度策略。系统通过在虚拟机内核中监控自旋锁,对自旋锁进行精确计数,并基于计数结果,在Hypervisor(虚拟化环境的管理和监控系统)中采用一种高效公平的调度策略,有效解决了锁持有者抢占问题,提高了多处理机系统中虚拟机的性能。系统的锁监控模块从虚拟机内核中取得本虚拟机中的锁计数信息,并将其传递给位于中间层的通讯模块;通讯模块将得到的信息汇总,并对数据进行分类与映射,得到各个虚拟机中各个VCPU上的锁计数信息;Hypervisor调度层的VCPU控制模块读取锁计数信息,以做出VCPU控制决策;虚拟机中的统计模块从Guest OS内核中取得原始的锁状态信息数据,并将数据转变为可读的、分类的锁状态数据统计信息,打印到控制台上,或生成自旋锁统计的日志文件。 功能测试的结果表明,系统能够正常运行,在运行过程中,调度VCPU时能够避免锁持有者抢占问题。性能分析主要是与原始的Xen系统及采用现有解决方案的系统比较IO密集型负载及CPU计算型负载运行时的性能。性能测试结果表明,相对于现有解决方案,系统运行IO密集型负载的性能提高约10%,运行CPU计算型负载的性能提高约5%。在运行这两种负载的过程中,自旋锁持有的平均时间和等待时间均大幅下降,相较于原始的Xen系统,对于IO密集型负载,下降幅度分别为28%和97%,对于CPU计算型负载,下降幅度分别为74%和99%。
【图文】：

下文切换的时间。如果需要长时间持由于不存在多个线程同时访问临界区行时，自旋锁部分实际上什么都没统上。有者抢占问题产生的原因机系统采用分层的体系结构来实现[2作系统提供了一组接口——指令从理论上来说，如果操作系统要在一提供的指令集合[21]。

en 的核心功能之一就是多任务。Hypervisor 确保每一个运行的 Guest OS 都应的 CPU 时间。作为一个多任务操作系统，Xen 调度需要在保证各个 dom的公平性，以及达到良好的整体吞吐量之间寻求一个平衡点。似 Xen 这样的系统，在设计调度机制的时候与操作系统的设计理念有部分[29][30]。操作系统提供一个 N：M 的线程库，其中，N 个线程是由操作系统调度的内核线程，通常是每个物理上下文（physical context）运行一个线程程是在用户空间运行的用户线程[31][32]。在 Xen 中，，情况与操作系统类似，XPU 就相当于操作系统的内核线程，各个 domain 的内核进程就相当于操作系线程。此外，由于在 domain 中还可以运行用户线程，因此，在 Xen 中，从CPU，一共有三层调度关系（如图 2.3 所示）：1） Guest OS 的用户线程库将 M 个用户线程映射到 N 个内核线程上；2）Guest OS 的内核将 N 个内核线程映射到 X 个 VCPU 上；3）Xen 的 Hypervisor 将 X 个 VCPU 映射到物理 Y 个 CPU 上。常情况下，M>N，X>Y。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP332

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本文编号：2699797