CPU没有任务时，认为内核把什么都不做作为一件简单的任务是合理的，但事实却并非如此。在Kernel Recipes 2018，Rafael Wysocki讨论了当CPU没事儿的时候干啥，内核如何处理，在当前阶段存在的问题，以及他最近重做的内核idle loop对非工作中的系统的省电性的提升。
idle loop(在内核的空闲循环，也是空闲任务，空闲也是任务)是Wysocki维护的一个内核子系统，控制CPU在没有任务的时候做的事。为了方便讨论，Wysocki先提出了定义：对于一个CPU就是一个能够从内存取指令并在其他CPU执行指令的同时执行指令的实体。在一个简单的单核单指令流系统，此核即CPU；如果处理器有多个核，那么每个核都是一个CPU。如果每个核都为同步指令expose多个接口，也就是Inter所谓的超线程，那么每一个超线程都是一个CPU。
一个CPU没task运行的时候，就是idle。更精确的说，linux内核的内部调度类，包含特殊的idle类。如果在这些调度类中都没有任务，则CPU被认为是idle，如果硬件没有对此没啥考虑，则CPU就会执行无用的指令直到有任务需要它做。无论如何，这都是浪费电，所以大多数CPU都支持由内核操作进入一些低耗电状态，直到它们需要执行任务。
idle状态的进入或退出不是没有消耗的。进入或退出都需要一些时间，并且耗电较普通状态也会有短暂上升。尽管越多的深度idle状态会降低耗点，但同时也会提升进入/退出idle的能耗。这就意味着对于短idle周期来说，浅度idle状态才能最好的利用系统资源；对于长 idle周期，深度idle状态将会合理的节省idle周期内的能耗。因此内核最感兴趣的就是在决定idle深度前，怎样预测CPU将会idle的周期。这就是idle loop的工作。
在idle loop，CPU调度器因为没有任务而发现CPU空闲。调度器就会执行到idle管家(本博主擅自起的名字，管家-governor)，管家会尽可能的预测合适的idle状态。当前内核有menu和ladder两个idle管家，分别面向不同场景，不过大体都是做同样的事：追踪系统状态，CPU idle时间和结束idle的时长。这是为了预测一个新的CPU idle将要持续的时间，以及其合适的idle状态。
这一工作由与CPU调度器tick而变得困难，tick是为了分时共享CPU：在单CPU上跑多个任务，每个任务都只能运行一会儿，其他我就不说了。这一tick不需要在idle的CPU上发生，因为也没有任务需要切换。另外，如果tick允许运行在otherwise-idle CPU，它会限制CPU保持idle的时长，是管家不能选择更深的idle状态。因此在4.16以后的内核中，调度器会在调用管家之前关闭tick。当CPU被中断唤醒，调度器决定是否有任务，有任务才开启tick。
如果管家预测结果是长idle，idle周期也确实长，则关键命中：CPU将会进入深度idle状态，耗电节省，但如果idle周期短，则未命中，因为进入深度idle状态的开销将不能由省电补偿。更糟糕的是，当管家预测为短idle，若实际为长idle则未命中浪费电，若实际为短idle，关/开tick就不必要了，因为关/开tick也是需要开销的。
Wysocki 考虑尝试重新设计关于这方面的管家，认为关键问题是在管家被调之前，也就是推荐idle状态之前tick就关闭了。因此，他为4.17内核重写idle loop，使tick在管家调用之后再被操作。如果推荐长idle，tick就会关闭，也就不会过早唤醒CPU。如果推荐短idle，则tick会保持开启以避免关/开tick的开销。这就意味着tick同样是安全的唤醒CPU的事件，在idle比预期长的情况下，使管家有机会改正。
当idle CPU被中断唤醒，无论是由于tick或其他时间，调度器迅速决定是否有任务要做。如果有，则重启tick(如果关了)；如果没有，管家会立刻被再次调用。这就意味着无论tick运行与否，管家都会被调，因此管家需要重写来将此情况纳入考虑。
重查命中与否的表，Wysocki认为情况将会由此次重写改善。如果长idle被预测到，tick将会停止，因此不需要改；实际为长idle则命中，短则失败。但如果预测到短idle，而实际也是短，我们将会节省关/开tick的开销；如果实际为长idle，未关闭的定制器将会唤醒CPU，并在预测的时候给我们一个额外的bit。
理论并不能代替真实数据，Wysocki已经在很多系统上对此进行了测试。旧idle loop比新的idle耗电多，并且更可预测，耗电量波动更少。如Wysocki所言，新的方法预测得到的短idle比旧的更少，但更正确。
在回答观众提问时，Wysock说，这些工作是架构无关的。Intel的CPU受益更明显，因为他们有相当大的idle状态数组供idle管家选择，给了管家最多的选择来预测正确，不过ARM CPU也同样受益。
节省20%的idle电量消耗可能像是个小的胜利，但其实并不。任何系统想要合理的处理峰值负载，都会需要冗余，就会表现为idle的时段。我服务器(各种业务/mail/talk/file-transfer/vpn/ntp..)上之前一年的CPU使用量大部分都是空闲，节省20%的电量将会是我的服务商非常开心，同样对这个星球也有好处。
来源：CSDN
作者：ytfy339784578
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