减少 Linux 耗电，第 2 部分: 一般设置和与调控器相关的设置

关于本系列

在本系列中，学习如何调整基于 Linux 的 IBM System x 服务器以提高能源效率。您将了解内核调控器及其设置以及如何使用它们；还会看到经过调优的调控器对电源效率和电子商务工作负载的影响。示例使用一个运行 Red Hat Enterprise Linux version 5.2 (RHEL 5.2) 的 System x 服务器，但是原理可以应用于任何 2.6.x 内核以及支持变频的任何处理器类型。

减少 Linux 耗电，第 1 部分：CPUfreq 子系统 介绍系统调优所需的组件和概念，包括 Linux CPUfreq 子系统、C 和 P 状态以及五个内核调控器。

第 2 部分详细介绍 Linux CPUfreq 子系统的一般设置，以及五个内核调控器 — performance、powersave、userspace、ondemand 和conservative — 及其设置。

第 3 部分将对比五个内核调控器在调优和未调优状态下的性能，展示通过系统电源调优可以实现的效果。

CPUfreq 的一般设置

我们先来介绍 Linux CPUfreq 子系统的使用设置并提供一些接口选项，看看使用它是多么容易。先讨论一些一般设置：

• /sys 接口
• cpuspeed 设置文件
• cpufreq-utils

使用 /sys 接口

/sys 文件系统为 CPUfreq 提供用户接口，起点是 /sys/devices/system/cpu/。其中一些文件是可写的（由根用户写），其他文件是只读的。

首先，看看 /sys/devices/system/cpu/。在这里会找到每个逻辑 CPU 的目录和 sched_mc_power_savings 可调项，如果在系统上可用的话，还会找到 sched_smt_power_savings 可调项（稍后讨论）。

清单 1. 检查 /sys/devices/system/cpu/ 的内容

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/

[root@systemx cpu]# ls

cpu0 cpu1 cpu2 cpu3 cpu4 cpu5 cpu6 cpu7 sched_mc_power_savings

在每个处理器的目录内是一个 cpufreq 目录，它包含 CPUfreq 接口：

清单 2. 检查 cpufreq 目录

[root@systemx cpu]# cd cpu0/cpufreq/
[root@systemx cpufreq]# ls -l
total 0
-r--r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 affected_cpus
-r-------- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 cpuinfo_cur_freq
-r--r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 cpuinfo_max_freq
-r--r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 cpuinfo_min_freq
-r--r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_available_frequencies
-r--r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_available_governors
-r--r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_cur_freq
-r--r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_driver
-rw-r--r-- 1 root root 0 Nov 5 11:44 scaling_governor
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_max_freq
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Oct 31 14:53 scaling_min_freq

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如果调控器设置为 conservative 或 ondemand，还会在这里看到与调控器同名的目录。我们稍后讨论如何改变调控器。

对于每个调控器，都可以使用这些文件。我们将讨论每个设置的意义以及如何修改它们；然后讨论这个接口之外与调控器相关的一些设置。注意，对于每个处理器，cpufreq 目录下的设置可以不一样，因此要想跨处理器应用一致的策略，就必须按照后面的说明修改每个处理器的设置值。

首先，affected_cpus 显示修改频率会影响哪些处理器。由于硬件和/或软件的关联，一些处理器的频率是相互依赖的，必须同时修改频率。例如，可能会看到这种设置：

清单 3. 检查修改频率会影响哪些处理器

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu
[root@systemx cpu]# grep . cpu*/cpufreq/affected_cpus
cpu0/cpufreq/affected_cpus:0 1
cpu1/cpufreq/affected_cpus:0 1
cpu2/cpufreq/affected_cpus:2 3
cpu3/cpufreq/affected_cpus:2 3

接下来，cpuinfo_cur_freq 显示处理器当前的运行频率。scaling_cur_freq 文件列出调控器当前使用的扩展频率。

清单 4. 检查频率

[root@systemx cpufreq]# cat cpuinfo_cur_freq
2997000
[root@systemx cpufreq]# cat scaling_cur_freq
2997000

这个接口中列出的所有频率都以 KHz 为单位。

下面一些文件提供可用处理器频率的相关信息。cpuinfo_max_freq 和 cpuinfo_min_freq 文件包含系统可用的最大和最小频率；scaling_available_frequencies 显示所有可用频率。

清单 5. 检查最大、最小和可用频率

[root@systemx cpufreq]# cat cpuinfo_max_freq
2997000
[root@systemx cpufreq]# cat cpuinfo_min_freq
1998000
[root@systemx cpufreq]# cat scaling_available_frequencies
2997000 2664000 2331000 1998000

scaling_available_governors 文件列出可用的所有调控器。如果没有看到全部五个调控器，要检查在配置文件中是否启用了所有调控器并确保按第 1 部分中的说明装载了调控器的模块。

清单 6. 检查可用的调控器

[root@systemx cpufreq]# cat scaling_available_governors
ondemand powersave conservative userspace performance

scaling_driver 文件说明系统正在运行哪个 cpufreq 驱动程序。典型的驱动程序包括 acpi、speedstep-smi、speedstep-centrino、powernor_k8、powernow_k7、longhaul 等。如果希望改变驱动程序，需要先卸载正在使用的驱动程序，然后再装载另一个驱动程序。另外，在使用之前，一定要检查驱动程序是否适用于您的处理器。

清单 7. 检查系统正在运行哪个 cpufreq 驱动程序

[root@systemx cpufreq]# cat scaling_driver
centrino

这个目录中的其他文件可以由根用户写，可以通过它们修改一些 cpufreq 设置。这些文件只包含允许用户修改的 powersave 和 performance 调控器设置。其他调控器有更多设置可用，我们在下一节中讨论。

首先，scaling_governor 文件显示当前启用的调控器。要想改变调控器，只需把新调控器的名称 echo 到这个文件中。注意，要想应用一致的策略，必须对每个处理器这么做。例如：

清单 8. 检查启用的调控器并改变调控器

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# ls
cpu0 cpu1 cpu2 cpu3 cpu4 cpu5 cpu6 cpu7 sched_mc_power_savings
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_governor
performance
[root@systemx cpu]# echo conservative > cpu0/cpufreq/scaling_governor
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_governor
conservative

scaling_max_freq 和 scaling_min_freq 文件显示调控器可用的最大和最小频率。通过把一个可用的频率 echo 到这些文件中，用户可以修改调控器可用频率的范围。注意，这个频率必须是 scaling_available_frequencies 中列出的频率之一，因为这些是系统可用的所有处理器频率。同样，必须对每个处理器这么做。例如：

清单 9. 修改调控器可用的频率

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_available_frequencies
2997000 2664000 2331000 1998000
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_max_freq
2997000
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_min_freq
1998000
[root@systemx cpu]# echo 2331000 > cpu0/cpufreq/scaling_min_freq
[root@systemx cpu]# cat cpu0/cpufreq/scaling_min_freq
2331000

使用 cpuspeed 设置文件

除了像前面提到的那样直接 echo 设置值，用户还可以使用 cpuspeed 设置文件修改驱动程序、调控器、最大速度、最小速度、利用率阈值和 ignore_nice_load 设置。RHEL 5.2 附带 cpuspeed，但是其他 Linux 发行版可能不包含这个包。如果您的发行版不包含 cpuspeed，可以 下载 版本；README 中提供安装说明。要想使用 cpuspeed 的 RHEL 5.2 版本，只需编辑 /etc/sysconfig/cpuspeed 文件，在文件中设置任何变量值，然后执行以下命令：

/etc/init.d/cpuspeed restart

这个命令会让新设置生效。请记住，必须装载相应的调控器模块，才能开始使用调控器，除非它已经是内置的。

使用 cpufreq-utils

RHEL 5.2 和其他一些发行版还附带 cpufreq-utils 包，它为 CPUfreq 子系统提供另一个用户接口。大多数其他发行版应该也包含这个包。在安装 cpufreq-utils rpm 时，会得到两个实用程序 cpufreq-info 和 cpufreq-set。

cpufreq-info 实用程序列出处理器的相关信息及其 CPUfreq 设置，比如当前频率、频率限制、CPUfreq 驱动程序、当前策略、当前调控器和 affected-cpus 列表。

在启用 userspace 调控器时，cpufreq-set 实用程序让用户可以修改每个处理器的可用频率范围、使用的调控器和当前运行频率。更多信息见 cpufreq-info 和 cpufreq-set 手册页。

回页首

与调控器相关的设置

现在讨论用户可以在内核调控器中修改的设置。

powersave 和 performance 调控器

这两个调控器分别把处理器频率静态地设置为最低和最高频率。用户只能修改前一节中讨论的设置。

userspace 调控器

现在开始讨论与调控器相关的设置。如果启用 userspace 调控器，还会在 cpufreq 目录中看到 scaling_setspeed 文件，根用户可以写这个文件。这个调控器让用户或用户空间中的程序可以交互地修改处理器频率。用户可以把所需的频率 echo 到这个文件中，一些用户空间守护进程也可以设置这个值。正如对前面讨论的文件所做的，必须修改每个处理器的 scaling_setspeed 文件。

许多守护进程使用 userspace 调控器调整处理器频率；下面是几个例子：

• cpudyn（CPU 动态频率控制）：这个守护进程根据处理器负载修改基本频率，还可以在没有活动时让磁盘进入备用状态以节省能源。
• cpufreqd：这个守护进程可以对电池电压、AC 状态、温度、正在运行的程序、处理器使用量等做出反应。
• cpuspeed：这个守护进程可以根据处理器需求、电源变化、温度等改变频率。
• powernowd：这个调控器守护进程根据处理器负载改变基本频率，用户可以选择四种行为模式。

ondemand 调控器

如果装载 ondemand 调控器，会在 cpufreq 目录中看到 ondemand 目录。在这个目录中，有许多可调的设置。对于可由根用户写的所有文件，可以通过 echo 新的设置值来修改。注意，对 ondemand 设置的任何修改会应用于整个系统范围，所以不需要为每个处理器修改设置。

清单 10. 检查 ondemand 的可调设置

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/ondemand/
[root@systemx ondemand]# ls -l
total 0
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 10:30 ignore_nice_load
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 10:30 powersave_bias
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 10:30 sampling_rate
-r--r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 10:30 sampling_rate_max
-r--r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 10:30 sampling_rate_min
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 10:30 up_threshold

ignore_nice_load 文件可以设置为 0 或 1（0 是默认设置）。当这个参数设置为 1 时，任何具有 “nice” 值的处理器不计入总处理器利用率。在设置为 0 时，所有处理器都计入利用率。如果运行的某个程序需要大量处理器，但是您不关心运行时间，就可以使用这个设置。如果把 “nice” 设置应用于进程，就可以避免它受到频率调整的影响。

接下来，powersave_bias 文件可以略微改变 ondemand 调控器的行为，它在用户不太关心性能的情况下把目标频率降低指定的百分比，从而节省更多电力。这个设置可以设置为 1 到 1000 之间的值，这会使频率下降百分之 0.1 到百分之百。

sampling_rate（以微秒为单位）决定调控器间隔多长时间检查处理器利用率，以便决定设置什么频率。这个设置必须设置为 sampling_rate_min 和 sampling_rate_max 之间的值。

最后，up_threshold 设置允许用户修改最大处理器利用率阈值，这个阈值触发处理器频率修改。在默认情况下，up_threshold 值为 80。这意味着，内核将按照 sampling_rate 指定的时间间隔检查处理器利用率，如果超过了百分之 80，调控器会把频率提高到可用的最大频率。

conservative 调控器

如果装载 conservative 调控器，会在 cpufreq 目录中看到 conservative 目录。在这个目录中，有许多可调的设置。对于可由根用户写的所有文件，可以通过 echo 新的设置值来修改。注意，对 conservative 设置的任何修改会应用于整个系统范围，所以不需要为每个处理器修改设置。

清单 11. 检查 conservative 的可调设置

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/conservative/
[root@systemx conservative]# ls -l
total 0
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 down_threshold
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 freq_step
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 ignore_nice_load
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_down_factor
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_rate
-r--r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_rate_max
-r--r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 sampling_rate_min
-rw-r--r-- 1 root root 4096 Nov 19 11:31 up_threshold

ignore_nice_load、sampling_rate、sampling_rate_max、sampling_rate_min 和 up_threshold 设置与前面讨论的 ondemand 调控器中的设置相同。

conservative 调控器还允许用户设置 down_threshold。例如，在默认情况下 down_threshold 设置为 20。这意味着，内核将按照 sampling_rate 指定的时间间隔检查处理器利用率，如果低于百分之 20，调控器会降低频率。

freq_step 设置修改调控器在调整 CPU 频率时使用的频率步长（包括提高和降低两个方向）。在默认情况下，这个值设置为 5，这意味着，在每次决定调整频率时，调控器调整频率的幅度为最大或最小频率的百分之 5。如果把这个值设置为 100，这个调控器的表现会与 ondemand 调控器完全一样。

最后，sampling_down_factor 作为 sampling_rate 的乘数，放宽处理器利用率取样的时间间隔。例如，如果 sampling_rate 设置为 10,000，而 sampling_down_factor 设置为 2，那么处理器利用率取样的时间间隔为 20,000 微秒。

调度器可调项

现在，讨论两个调度器可调项 —

• sched_mc_power_savings 用于在核上调度进程。
• sched_smt_power_savings 用于在核上的超线程上调度进程。

sched_mc_power_savings

sched_mc_power_savings 是 /sys/devices/system/cpu/ 目录中的调度器可调项。如果要使用这个可调项，不要忘了把 CONFIG_SCHED_MC 配置文件选项设置为 y（见 减少 Linux 耗电，第 1 部分：CPUfreq 子系统 中的设置部分）。

清单 12. 检查 sched_mc_power_savings 的位置

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# ls -l
total 0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu1
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu2
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu3
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu4
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu5
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu6
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu7
-rwxrwxr-x 1 root root 4096 Nov 19 09:54 sched_mc_power_savings

sched_mc_power_savings 文件可以设置为 0 或 1；0 是默认设置。在设置为 1 时，调度器尝试在尽可能少的核上调度进程，让其他核可以空闲。换句话说，如果所有处理器都不太忙，那么 sched_mc_power_savings 尝试把工作整合在尽可能少的处理器上。然后就可以让一些处理器空闲，从而进一步节省电力，尤其是在处理器支持 C 状态等深度睡眠状态的情况下（在这种状态下处理器在空闲时只消耗非常少的电力）。实际节省的电力取决于许多因素，包括可用处理器的数量和正在运行哪种 CPUfreq 调控器。当 sched_mc_power_savings 设置为 0 时，不执行特殊的调度。

sched_smt_power_savings

sched_smt_power_savings 可调项也是 /sys/devices/system/cpu/ 目录中的调度器可调项；但是，这个可调项只适用于支持超线程的系统。如果要使用这个可调项，不要忘了把 CONFIG_SCHED_SMT 配置文件选项设置为 y（见第 1 部分中的设置部分）。

清单 13. 检查 sched_smt_power_savings 的位置

[root@systemx ~]# cd /sys/devices/system/cpu/
[root@systemx cpu]# ls -l
total 0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu0
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu1
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu2
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu3
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu4
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu5
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu6
drwxr-xr-x 5 root root 0 Nov 12 17:45 cpu7
-rwxrwxr-x 1 root root 4096 Nov 19 09:54 sched_mc_power_savings
-rwxrwxr-x 1 root root 4096 Nov 19 09:54 sched_smt_power_savings

与 sched_mc_power_savings 设置相似，sched_smt_power_savings 文件可以设置为 0 或 1；0 是默认设置。在设置为 1 时，调度器尝试在核上尽可能少的超线程上调度进程，让其他超线程可以空闲，进而通过空闲 C 状态节省电力。

结束语

在第 3 部分中，我将以两个流行的配置工作负载为例，讨论每个调控器在不同工作负载上可以产生的效果。

参考资料

学习

• 阅读关于电力消耗的其他资料：
  • 教程 “How to make use of Dynamic Frequency Scaling”
  • 教程 “Enhanced Intel SpeedStep Technology and Demand-Based Switching on Linux”
  • 文章 “Making power policy just work”（关于电力调度器）
  • 文章 “CPU frequency scaling in Linux”
  • 文档 “Linux CPUfreq Governors”（关于 Linux 内核中的 CPU 频率和电压扩展代码）
  • Gentoo “Power Management Guide”（警告：适用于笔记本计算机，除非有把握，不要应用于服务器！）
  • 教程 “How to use CPU frequency scaling (cpufreq)”
  • wiki 文章 CPU Frequency Scaling
  • 教程 “Scheduler tunables for multi-socket systems”
  • 中关于 CPUfreq subsystem 的数据
• 下面是使用 userspace 调控器调整处理器频率的守护进程的信息：
  • cpudyn 是 CPU 动态频率控制守护进程，它根据处理器负载改变基本频率；还能够让磁盘进入备用状态。
  • cpufreqd 守护进程可以对电池电压、AC 状态、温度、正在运行的程序、处理器使用量等做出反应。
  • cpuspeed 守护进程可以根据处理器需求、电源变化、温度等改变频率。
  • powernowd 守护进程根据处理器负载改变基本频率，有四种行为模式。
• 查阅 支持 CPUfreq 子系统的硬件列表。
• 在重新构建/重新启动内核方面需要帮助吗？看看 Kwan Lowe 的 “Kernel Rebuild Guide”。
• 在 developerWorks Linux 专区 寻找为 Linux 开发人员（包括 Linux 新手入门）准备的更多参考资料，查阅我们 最受欢迎的文章和教程。
• 在 developerWorks 上查阅所有 Linux 技巧 和 Linux 教程。
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