CN104866370A - 一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法及系统；其中，动态时间片调度方法包括：自旋锁延迟采样；建立虚拟机与虚拟机监视器之间的通信通道，传递自旋锁延迟采样值；自旋锁延迟统计，获取虚拟机自旋锁延迟的平均值；动态时间片调度；动态时间片调度系统包括自旋锁延迟采样模块、通信模块、自旋锁延迟统计模块和动态时间片调度模块；本发明提供的动态时间片调度方法，基于虚拟机的自旋锁延迟，动态的调整虚拟机的调度时间片，解决云计算环境下锁持有者被抢占导致的自旋锁延迟显著增高的问题；能有效缩短并行应用在云计算环境下的自旋锁延迟，加快并行应用进程间的同步效率，从而提升并行应用在云计算环境下的性能。

Description

一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法及系统
技术领域
本发明属于云计算技术领域，更具体地，涉及一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法及系统。
背景技术
随着云计算技术的普及，越来越多的学术机构和商业机构把云计算提供的资源作为本地资源的替代品，越来越多的应用运行在云环境下，包括并行应用。在并行应用中，为了获取高性能，通常使用自旋锁来做进程同步。对于自旋锁，当其被某个进程或线程占有时，其他等待进程或线程会处于忙等待状态，直到锁持有者进程释放自旋锁。在虚拟化环境下，由于自旋锁的特性，会带来锁持有者被抢占的问题，例如，当一个锁持有者进程在虚拟化环境下因为虚拟处理器(Virtual CPU，VCPU)调度切换被抢占了，而后其他的锁等待着被调度时，就会处于忙等待状态，从而造成很高的自旋锁延迟和大量的处理器(CPU)时间的浪费。因此，锁持有者被抢占导致并行应用在虚拟化环境下有很显著的性能损失。
针对锁持有者被抢占带来的并行应用性能损失的问题，现有的方法主要包括抢占式的协同调度(Co-scheduling)方法和概率性的协同调度(Balance)方法；Co-scheduling方法是把同一个虚拟机的VCPU同时调度到PCPU上运行，这样能尽可能的提升并行应用的同步效率，优化其性能；但是，由于Co-scheduling进行同时调度的时候，不可避免的会抢占其他虚拟机的VCPU，这会对延迟敏感型的应用造成性能损失；而云环境下，应用种类很丰富，Co-scheduling的这种特性导致其在真实的云环境下不够实用。Balance调度方法是把运行并行应用的虚拟机的VCPU放到不同的物理处理器(Physical CPU，PCPU)运行队列里面，这样能从增大该虚拟机所有VCPU被同时调度的概率，从而提升并行应用性能，然而，在PCPU运行队列的VCPU个数较多时，Balance调度方法对并行应用性能的提升有限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法及系统，其目的在于基于虚拟机的自旋锁延迟，动态的调整虚拟机的调度时间片，由此解决云计算环境下锁持有者被抢占导致的自旋锁延迟显著增高的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法，具体如下：
(1)自旋锁延迟采样：基于探针技术，在运行并行应用的虚拟机的自旋锁中插入性能探测点，对虚拟机的自旋锁延迟进行采样，输出运行并行应用的虚拟机的自旋锁延迟的采样值；其中，探针技术是在代码中插入探测点来获取所需要的数据，所述性能探测点用于获取系统当前时间；
(2)虚拟机与虚拟机监视器通信：基于超级调用(hypercall)机制，建立虚拟机与虚拟机监视器之间的通信通道，并把每个虚拟机的自旋锁延迟的采样值传递给虚拟机监视器；其中，超级调用(hypercall)机制是指由虚拟机通过软中断来执行特权指令的机制；
(3)自旋锁延迟统计：由虚拟机监视器根据各虚拟机的自旋锁延迟采样值，获取一个调度周期内各虚拟机自旋锁延迟的平均值；
(4)根据虚拟机前N个调度周期内的自旋锁延迟的平均值，识别自旋锁延迟变化趋势，若所述平均值呈递增趋势，则表明自旋锁延迟增加；若平均值呈递减趋势，则表明自旋锁延迟减少；
根据自旋锁延迟变化趋势动态调整虚拟机的调度时间片；在各运行并行应用的虚拟机的调度时间片中取一个时间片，将其作为所有运行并行应用的虚拟机的统一调度时间片；其中，N大于等于3。
优选的，步骤(1)所述的自旋锁延迟采样具体如下：
(1.1)当虚拟机运行并行应用时，判断是否发生线程忙等待，若是，记录当前时间点T1；若否，则结束自旋锁延迟采样；
(1.2)当忙等待结束且获取到自旋锁，记录当前时间点T2；
(1.3)根据步骤(1.1)与(1.2)中获取的时间点，获得自旋锁延迟值为T2-T1。
优选的，步骤(4)所述的获取虚拟机统一调度时间片的过程具体如下：
(4.1)识别自旋锁延迟的变化趋势，并根据自旋锁延迟的变化趋势动态调整调度时间片：当自旋锁延迟增加时减少虚拟机的调度时间片，当自旋锁延迟减少时增加虚拟机的调度时间片；
(4.2)获取所有运行并行应用的虚拟机的调度时间片；在所有并行应用虚拟机的调度时间片的值中取最小值，将该最小值作为虚拟机的统一调度时间片。
进一步优选的，步骤(4.1)所述根据自旋锁的变化趋势动态调整调度时间片的过程具体如下：
(4.1.1)在包含本调度周期在内的连续N个周期里，判断自旋锁延迟值是否为0，若是，则进入步骤(4.1.4)；若否，则进入步骤(4.1.2)；
(4.1.2)判断上一个调度周期的自旋锁延迟是否小于本周期的自旋锁延迟，若是，则进入步骤(4.1.5)；若否，则进入步骤(4.1.3)；
(4.1.3)判断前N个调度周期的自旋锁延迟是否随着调度时间片的减少而下降，若是，进入步骤(4.1.5)；若否，则进入步骤(4.1.6)；
(4.1.4)在上一个调度周期的调度时间片的基础上增加一个单位的时间片作为新的调度时间片；并将新的调度时间片发送给虚拟机监视器的调度器；
(4.1.5)在上一个调度周期的调度时间片的基础上减少一个单位的时间片作为新的调度时间片；并将新的调度时间片发送给虚拟机监视器的调度器；
(4.1.6)调度时间片大小在上一个调度周期的调度时间片的基础上保持不变；并将新的调度时间片发送给虚拟机监视器的调度器。
按照本发明的另一方面，提供了一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度系统，包括自旋锁延迟采样模块、通信模块、自旋锁延迟统计模块和动态时间片调度模块；
其中，自旋锁延迟采样模块位于虚拟机的内核中，在虚拟机启动时，该模块用于监控虚拟机内核中的自旋锁操作，通过在内核中插入性能探针，监控虚拟机的自旋锁操作是否产生忙等待，并且在忙等待时记录自旋锁延迟信息；
通信模块位于虚拟机和虚拟机监视器的中间层，用于将采集到的自旋锁延迟信息从虚拟机内核传递到虚拟机监视器；
自旋锁延迟统计模块位于虚拟机监视器中，用于统计各调度周期内监控到的自旋锁延迟信息，并获取自旋锁延迟平均值；
动态时间片调度模块位于虚拟机监视器中，基于统计到的自旋锁延迟信息获取各个虚拟机的调度时间片，取其中一个调度时间片并将其设置为各虚拟机统一的调度时间片。
优选的，动态时间片调度模块包括时间片计算模块、时间片选择模块和时间片设定模块；
其中，时间片计算模块位于虚拟机监视器中，用于根据监控到的自旋锁信息获取各虚拟机对应的调度时间片；
时间片选择模块位于虚拟机监视器中，用于根据虚拟机调度时间片选择运行并行应用的各虚拟机统一的调度时间片，采用其中最小值作为运行并行应用虚拟机的统一调度时间片；
时间片设定模块位于虚拟机监视器中，用于将统一调度时间片应用到每个虚拟机的调度过程，根据用户设定的虚拟机的类型(运行并行应用的虚拟机和运行非并行应用的虚拟机)来设置每次的调度时间片；
时间片计算模块获取所有虚拟机的调度时间片；时间片选择模块根据所有虚拟机的调度时间片，获取其中的最小值作为统一的调度时间片；时间片设定模块将统一的调度时间片应用到虚拟机监视器的调度流程中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法，利用虚拟机自旋锁同步延迟与调度时间片之间的强线性关系，采用根据自旋锁同步延迟采样值来动态决定调度时间片大小的方法，能有效地缩短调度的时间间隔，从而改善并行应用在虚拟化环境下自旋锁延迟高的问题，提升云计算环境下的并行应用的性能；
(2)采取本发明提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法，可以有效提升并行应用在过载虚拟化环境下的性能，从而使得多租户共用单个物理机成为可能，与现有的高性能计算云平台采用的单个用户租用整台物理机的策略相比，可有效降低使用高性能计算云平台的成本；
(3)本发明提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法中，每个物理机节点能自主地进行自旋锁采样、时间片计算等操作，当集群节点数量增加时，具有高度扩展性。
附图说明
图1是本发明提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度及系统的应用场景图；
图2是本发明实施例1提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法实现流程图；
图3是本发明实施例1提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法中自旋锁延迟采样步骤的实现流程图；
图4是本发明实施例1提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法中动态时间片调度步骤的流程图；
图5是本发明实施例1提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法中调整动态时间片的值的实现流程图；
图6是本发明实施例2提供的云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度系统的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
云计算环境下，一个云数据中心包含多个物理节点，每个物理节点用虚拟化技术虚拟出多个虚拟机，这些虚拟机可能属于不同的用户，如图1所示；客户应用运行在虚拟机里，其中有一部分是并行应用；本发明提供的方法通过修改虚拟机监视器的调度方法，来实现动态时间片调度。
本发明的实施例1提供的一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法，其流程如图2所示，具体如下：
(1)自旋锁延迟采样：基于探针技术，在运行并行应用的虚拟机的自旋锁中插入性能探测点，对虚拟机的自旋锁延迟进行采样，输出运行并行应用的虚拟机的自旋锁延迟的采样值；其中，探针技术是在代码中插入探测点来获取所需要的数据；
(2)虚拟机与虚拟机监视器通信：基于超级调用(hypercall)机制，建立虚拟机与虚拟机监视器之间的通信通道，并把每个虚拟机的自旋锁延迟的采样值传递给虚拟机监视器；其中，超级调用(hypercall)机制是指由虚拟机通过软中断来执行特权指令的一种机制；
(3)自旋锁延迟统计：由虚拟机监视器根据各虚拟机的自旋锁延迟采样值，获取各个虚拟机自旋锁延迟的平均值；
(4)动态时间片调度：根据虚拟机前3～5个周期的自旋锁延迟的平均值，识别自旋锁延迟变化趋势：若平均值呈递增趋势，则表明自旋锁延迟增加；若平均值呈递减趋势，则表明自旋锁延迟减少；
根据自旋锁延迟变化趋势增加或者减少虚拟机的调度时间片，自旋锁延迟增加则减少虚拟机的调度时间片，自旋锁延迟减少则增加虚拟机的调度时间片；
获取每个运行并行应用的虚拟机的调度时间片，比较所有运行并行应用虚拟机的调度时间片的值，取其中的最小的调度时间片作为所有运行并行应用的虚拟机的统一调度时间片。
其中，自旋锁延迟采样步骤的实现流程图如图3所示，具体如下；
(1.1)进入运行并行应用的虚拟机自旋锁操作中，判断是否发生忙等待，若是，记录当前时间点T1；若否，则结束自旋锁延迟采样；
(1.2)当忙等待结束之后获取自旋锁时，记录当前时间点T2；
(1.3)根据步骤(1.1)和步骤(1.2)中记录的时间点，获取自旋锁延迟值为T2-T1。
本发明实施例1中动态时间片调度步骤的流程图(4)所示，具体如下：
(4.1)根据自旋锁的变化趋势调整动态时间片的值，获取所有运行并行应用的虚拟机的调度时间片；
(4.2)在所有并行应用虚拟机的调度时间片的值中取最小值，将该最小值作为虚拟机的统一调度时间片；
(4.3)把统一调度时间片应用到虚拟机监视器的调度流程中。
本发明实施例1中调整动态时间片的值的实现流程如图5所示，具体如下：
(4.1.1)在包含本调度周期在内的连续3个调度周期里，判断自旋锁延迟值是否为0，若是，则进入步骤(4.1.4)；若否，则进入步骤(4.1.2)；
(4.1.2)判断上个调度周期的自旋锁延迟是否小于本周期的自旋锁延迟，若是，则进入步骤(4.1.5)；若否，则进入步骤(4.1.3)；
(4.1.3)判断前3个调度周期的自旋锁延迟是否随着调度时间片的减少而下降，若是，进入步骤(4.1.5)；若否，则进入步骤(4.1.6)；
(4.1.4)在上一个调度周期的调度时间片的基础上增加大小为1ms的时间片，获得新的调度时间片；并将新的调度时间片发送给虚拟机监视器的调度器；
(4.1.5)在上一个调度周期的调度时间片的基础上减少大小为1ms的时间片，获得新的调度时间片；并将新的调度时间片发送给虚拟机监视器的调度器；
(4.1.6)调度时间片大小在上一个调度周期的调度时间片的基础上保持不变；并将其发送给虚拟机监视器的调度器。
本发明实施例2提供的一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度系统的系统框图如图6所示，包括自旋锁延迟采样模块、通信模块、自旋锁延迟统计模块和动态时间片调度模块；
其中，自旋锁延迟采样模块位于虚拟机的内核中，在虚拟机启动时，该模块会一直监控虚拟机内核中的自旋锁操作，通过在内核中插入探针，监控虚拟机的自旋锁操作是否产生忙等待，并且在忙等待时记录自旋锁延迟信息；将自旋锁延迟信息传给虚拟机监视器；
通信模块位于虚拟机和虚拟机监视器的中间层，用于将采集到的自旋锁延迟信息从虚拟机内核传递到虚拟机监视器；
自旋锁延迟统计模块位于虚拟机监视器中，用于统计一段时间内监控到的自旋锁延迟信息，计算其均值；
动态时间片调度模块位于虚拟机监视器中，基于统计到的自旋锁延迟信息获取各个虚拟机的调度时间片，然后，取所有虚拟机调度时间片中的最小值，应用到虚拟机监视器的调度流程中。
其中，动态时间片调度模块包含动态时间片调度模块包括时间片计算模块、时间片选择模块和时间片设定模块：
时间片计算模块位于虚拟机监视器中，用于根据监控到的自旋锁信息获取虚拟机对应的调度时间片；
时间片选择模块位于虚拟机监视器中，用于根据虚拟机调度时间片选择并行应用虚拟机的调度时间片；具体是采用其中最小值作为并行应用虚拟机的调度时间片；
时间片设定模块位于虚拟机监视器中，用于将决策的调度时间片应用到每个虚拟机的调度过程；具体是根据用户设定的虚拟机的类型(运行并行应用的虚拟机和运行非并行应用的虚拟机)来设置每次的调度时间片；
时间片计算模块获取所有虚拟机的调度时间片；时间片选择模块根据所有虚拟机的调度时间片，获取其中的最小值作为统一的调度时间片；时间片设定模块将统一的调度时间片应用到虚拟机监视器的调度流程中。
本发明能有效缩短并行应用在云计算环境下的自旋锁延迟，加快并行应用进程间的同步效率，从而提升并行应用在云计算环境下的性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度方法，其特征在于，所述动态时间片调度方法具体如下：
(1)在运行并行应用的虚拟机的自旋锁中加入性能探测点，对虚拟机的自旋锁延迟进行采样，获取运行并行应用的虚拟机的自旋锁延迟的采样值；
(2)建立虚拟机与虚拟机监视器之间的通信通道，将每个虚拟机的自旋锁延迟的采样值由虚拟机传递给虚拟机监视器处理；
(3)由虚拟机监视器根据各虚拟机的自旋锁延迟采样值，获取一个调度周期内虚拟机自旋锁延迟的平均值；
(4)根据虚拟机前N个调度周期内的自旋锁延迟的平均值，识别自旋锁延迟变化趋势，若所述平均值呈递增趋势，则表明自旋锁延迟增加；若平均值呈递减趋势，则表明自旋锁延迟减少；
根据自旋锁延迟变化趋势调整虚拟机的调度时间片；在各运行并行应用的虚拟机的调度时间片中取一个时间片，将其作为所有运行并行应用的虚拟机的统一调度时间片；其中，N大于等于3。
2.如权利要求1所述的动态时间片调度方法，其特征在于，步骤(1)所述的自旋锁延迟采样过程具体如下：
(1.1)当虚拟机运行并行应用时，判断是否发生线程忙等待，若是，记录当前时间点T1；若否，则结束自旋锁延迟采样；
(1.2)当忙等待结束且获取到自旋锁，记录当前时间点T2；
(1.3)根据步骤(1.1)与(1.2)中获取的时间点，获得自旋锁延迟值为T2-T1。
3.如权利要求1或2所述的动态时间片调度方法，其特征在于，所述步骤(4)具体如下：
(4.1)识别自旋锁延迟的变化趋势，并根据自旋锁延迟的变化趋势动态调整调度时间片：当自旋锁延迟增加时减少虚拟机的调度时间片，当自旋锁延迟减少时增加虚拟机的调度时间片；
(4.2)获取所有运行并行应用的虚拟机的调度时间片；在所有并行应用虚拟机的调度时间片的值中取最小值，将该最小值作为虚拟机的统一调度时间片。
4.如权利要求3所述的动态时间片调度方法，其特征在于，步骤(4.1)所述根据自旋锁的变化趋势动态调整调度时间片的过程具体如下：
(4.1.1)在包含本调度周期在内的连续N个调度周期里，判断自旋锁延迟值是否为0，若是，则进入步骤(4.1.4)；若否，则进入步骤(4.1.2)；
(4.1.2)判断上个调度周期的自旋锁延迟是否小于本周期的自旋锁延迟，若是，则进入步骤(4.1.5)；若否，则进入步骤(4.1.3)；
(4.1.3)判断前N个调度周期的自旋锁延迟是否随着调度时间片的减少而下降，若是，进入步骤(4.1.5)；若否，则进入步骤(4.1.6)；
(4.1.4)在上一个调度周期的调度时间片的基础上增加一个单位的时间片作为新的调度时间片；
(4.1.5)在上一个调度周期的调度时间片的基础上减少一个单位的时间片作为新的调度时间片；
(4.1.6)调度时间片大小在上一个调度周期的调度时间片的基础上保持不变。
5.一种云计算环境下面向并行应用的动态时间片调度系统，其特征在于，包括自旋锁延迟采样模块、通信模块、自旋锁延迟统计模块和动态时间片调度模块；
所述自旋锁延迟采样模块用于在虚拟机启动时监控虚拟机内核中自旋锁操作是否产生忙等待，并在忙等待时记录自旋锁延迟信息；
所述通信模块用于将采集到的自旋锁延迟信息从虚拟机内核传递到虚拟机监视器；
所述自旋锁延迟统计模块用于统计各调度周期内监控到的自旋锁延迟信息，并获取自旋锁延迟平均值；
所述动态时间片调度模块用于根据统计到的自旋锁延迟信息获取各虚拟机的调度时间片；取其中一个调度时间片并将其设置为各虚拟机统一的调度时间片。
6.如权利要求5所述的动态时间片调度系统，其特征在于，所述动态时间片调度模块包括时间片计算模块、时间片选择模块和时间片设定模块；
所述时间片计算模块用于根据监控到的自旋锁信息获取虚拟机的调度时间片；
所述时间片选择模块用于根据所有虚拟机的调度时间片获取并行应用虚拟机的统一的调度时间片；
所述时间片设定模块用于根据统一的调度时间片设定各虚拟机的调度时间片。
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