Allow userland to bind a process to specific CPUs. The initial
[dragonfly.git] / sys / kern / usched_bsd4.c
1 /*
2  * Copyright (c) 1999 Peter Wemm <peter@FreeBSD.org>
3  * All rights reserved.
4  *
5  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6  * modification, are permitted provided that the following conditions
7  * are met:
8  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
9  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
12  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
13  *
14  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
15  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
16  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
17  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
18  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
19  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
20  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
21  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
22  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
23  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
24  * SUCH DAMAGE.
25  *
26  * $DragonFly: src/sys/kern/usched_bsd4.c,v 1.13 2006/06/05 00:32:37 davidxu Exp $
27  */
28
29 #include <sys/param.h>
30 #include <sys/systm.h>
31 #include <sys/kernel.h>
32 #include <sys/lock.h>
33 #include <sys/queue.h>
34 #include <sys/proc.h>
35 #include <sys/rtprio.h>
36 #include <sys/uio.h>
37 #include <sys/sysctl.h>
38 #include <sys/resourcevar.h>
39 #include <sys/spinlock.h>
40 #include <machine/ipl.h>
41 #include <machine/cpu.h>
42 #include <machine/smp.h>
43
44 #include <sys/thread2.h>
45 #include <sys/spinlock2.h>
46
47 /*
48  * Priorities.  Note that with 32 run queues per scheduler each queue
49  * represents four priority levels.
50  */
51
52 #define MAXPRI                  128
53 #define PRIMASK                 (MAXPRI - 1)
54 #define PRIBASE_REALTIME        0
55 #define PRIBASE_NORMAL          MAXPRI
56 #define PRIBASE_IDLE            (MAXPRI * 2)
57 #define PRIBASE_THREAD          (MAXPRI * 3)
58 #define PRIBASE_NULL            (MAXPRI * 4)
59
60 #define NQS     32                      /* 32 run queues. */
61 #define PPQ     (MAXPRI / NQS)          /* priorities per queue */
62 #define PPQMASK (PPQ - 1)
63
64 /*
65  * NICEPPQ      - number of nice units per priority queue
66  * ESTCPURAMP   - number of scheduler ticks for estcpu to switch queues
67  *
68  * ESTCPUPPQ    - number of estcpu units per priority queue
69  * ESTCPUMAX    - number of estcpu units
70  * ESTCPUINCR   - amount we have to increment p_estcpu per scheduling tick at
71  *                100% cpu.
72  */
73 #define NICEPPQ         2
74 #define ESTCPURAMP      4
75 #define ESTCPUPPQ       512
76 #define ESTCPUMAX       (ESTCPUPPQ * NQS)
77 #define ESTCPUINCR      (ESTCPUPPQ / ESTCPURAMP)
78 #define PRIO_RANGE      (PRIO_MAX - PRIO_MIN + 1)
79
80 #define ESTCPULIM(v)    min((v), ESTCPUMAX)
81
82 TAILQ_HEAD(rq, lwp);
83
84 #define lwp_priority    lwp_usdata.bsd4.priority
85 #define lwp_rqindex     lwp_usdata.bsd4.rqindex
86 #define lwp_origcpu     lwp_usdata.bsd4.origcpu
87 #define lwp_estcpu      lwp_usdata.bsd4.estcpu
88 #define lwp_rqtype      lwp_usdata.bsd4.rqtype
89
90 static void bsd4_acquire_curproc(struct lwp *lp);
91 static void bsd4_release_curproc(struct lwp *lp);
92 static void bsd4_select_curproc(globaldata_t gd);
93 static void bsd4_setrunqueue(struct lwp *lp);
94 static void bsd4_schedulerclock(struct lwp *lp, sysclock_t period,
95                                 sysclock_t cpstamp);
96 static void bsd4_recalculate_estcpu(struct lwp *lp);
97 static void bsd4_resetpriority(struct lwp *lp);
98 static void bsd4_forking(struct lwp *plp, struct lwp *lp);
99 static void bsd4_exiting(struct lwp *plp, struct lwp *lp);
100
101 #ifdef SMP
102 static void need_user_resched_remote(void *dummy);
103 #endif
104 static struct lwp *chooseproc_locked(struct lwp *chklp);
105 static void bsd4_remrunqueue_locked(struct lwp *lp);
106 static void bsd4_setrunqueue_locked(struct lwp *lp);
107
108 struct usched usched_bsd4 = {
109         { NULL },
110         "bsd4", "Original DragonFly Scheduler",
111         NULL,                   /* default registration */
112         NULL,                   /* default deregistration */
113         bsd4_acquire_curproc,
114         bsd4_release_curproc,
115         bsd4_select_curproc,
116         bsd4_setrunqueue,
117         bsd4_schedulerclock,
118         bsd4_recalculate_estcpu,
119         bsd4_resetpriority,
120         bsd4_forking,
121         bsd4_exiting,
122         NULL                    /* setcpumask not supported */
123 };
124
125 struct usched_bsd4_pcpu {
126         struct thread helper_thread;
127         short   rrcount;
128         short   upri;
129         struct lwp *uschedcp;
130 };
131
132 typedef struct usched_bsd4_pcpu *bsd4_pcpu_t;
133
134 /*
135  * We have NQS (32) run queues per scheduling class.  For the normal
136  * class, there are 128 priorities scaled onto these 32 queues.  New
137  * processes are added to the last entry in each queue, and processes
138  * are selected for running by taking them from the head and maintaining
139  * a simple FIFO arrangement.  Realtime and Idle priority processes have
140  * and explicit 0-31 priority which maps directly onto their class queue
141  * index.  When a queue has something in it, the corresponding bit is
142  * set in the queuebits variable, allowing a single read to determine
143  * the state of all 32 queues and then a ffs() to find the first busy
144  * queue.
145  */
146 static struct rq bsd4_queues[NQS];
147 static struct rq bsd4_rtqueues[NQS];
148 static struct rq bsd4_idqueues[NQS];
149 static u_int32_t bsd4_queuebits;
150 static u_int32_t bsd4_rtqueuebits;
151 static u_int32_t bsd4_idqueuebits;
152 static cpumask_t bsd4_curprocmask = -1; /* currently running a user process */
153 static cpumask_t bsd4_rdyprocmask;      /* ready to accept a user process */
154 static int       bsd4_runqcount;
155 #ifdef SMP
156 static volatile int bsd4_scancpu;
157 #endif
158 static struct spinlock bsd4_spin;
159 static struct usched_bsd4_pcpu bsd4_pcpu[MAXCPU];
160
161 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, bsd4_runqcount, CTLFLAG_RD, &bsd4_runqcount, 0, "");
162 #ifdef INVARIANTS
163 static int usched_nonoptimal;
164 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, usched_nonoptimal, CTLFLAG_RW,
165         &usched_nonoptimal, 0, "acquire_curproc() was not optimal");
166 static int usched_optimal;
167 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, usched_optimal, CTLFLAG_RW,
168         &usched_optimal, 0, "acquire_curproc() was optimal");
169 #endif
170 static int usched_debug = -1;
171 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, scdebug, CTLFLAG_RW, &usched_debug, 0, "");
172 #ifdef SMP
173 static int remote_resched_nonaffinity;
174 static int remote_resched_affinity;
175 static int choose_affinity;
176 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, remote_resched_nonaffinity, CTLFLAG_RD,
177         &remote_resched_nonaffinity, 0, "Number of remote rescheds");
178 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, remote_resched_affinity, CTLFLAG_RD,
179         &remote_resched_affinity, 0, "Number of remote rescheds");
180 SYSCTL_INT(_debug, OID_AUTO, choose_affinity, CTLFLAG_RD,
181         &choose_affinity, 0, "chooseproc() was smart");
182 #endif
183
184 static int usched_bsd4_rrinterval = (ESTCPUFREQ + 9) / 10;
185 SYSCTL_INT(_kern, OID_AUTO, usched_bsd4_rrinterval, CTLFLAG_RW,
186         &usched_bsd4_rrinterval, 0, "");
187 static int usched_bsd4_decay = ESTCPUINCR / 2;
188 SYSCTL_INT(_kern, OID_AUTO, usched_bsd4_decay, CTLFLAG_RW,
189         &usched_bsd4_decay, 0, "");
190
191 /*
192  * Initialize the run queues at boot time.
193  */
194 static void
195 rqinit(void *dummy)
196 {
197         int i;
198
199         spin_init(&bsd4_spin);
200         for (i = 0; i < NQS; i++) {
201                 TAILQ_INIT(&bsd4_queues[i]);
202                 TAILQ_INIT(&bsd4_rtqueues[i]);
203                 TAILQ_INIT(&bsd4_idqueues[i]);
204         }
205         atomic_clear_int(&bsd4_curprocmask, 1);
206 }
207 SYSINIT(runqueue, SI_SUB_RUN_QUEUE, SI_ORDER_FIRST, rqinit, NULL)
208
209 /*
210  * BSD4_ACQUIRE_CURPROC
211  *
212  * This function is called when the kernel intends to return to userland.
213  * It is responsible for making the thread the current designated userland
214  * thread for this cpu, blocking if necessary.
215  *
216  * We are expected to handle userland reschedule requests here too.
217  *
218  * WARNING! THIS FUNCTION IS ALLOWED TO CAUSE THE CURRENT THREAD TO MIGRATE
219  * TO ANOTHER CPU!  Because most of the kernel assumes that no migration will
220  * occur, this function is called only under very controlled circumstances.
221  *
222  * Basically we recalculate our estcpu to hopefully give us a more
223  * favorable disposition, setrunqueue, then wait for the curlwp
224  * designation to be handed to us (if the setrunqueue didn't do it).
225  *
226  * MPSAFE
227  */
228 static void
229 bsd4_acquire_curproc(struct lwp *lp)
230 {
231         globaldata_t gd = mycpu;
232         bsd4_pcpu_t dd = &bsd4_pcpu[gd->gd_cpuid];
233
234         /*
235          * Possibly select another thread, or keep the current thread.
236          */
237         if (user_resched_wanted())
238                 bsd4_select_curproc(gd);
239
240         /*
241          * If uschedcp is still pointing to us, we're done
242          */
243         if (dd->uschedcp == lp)
244                 return;
245
246         /*
247          * If this cpu has no current thread, and the run queue is
248          * empty, we can safely select ourself.
249          */
250         if (dd->uschedcp == NULL && bsd4_runqcount == 0) {
251                 atomic_set_int(&bsd4_curprocmask, gd->gd_cpumask);
252                 dd->uschedcp = lp;
253                 dd->upri = lp->lwp_priority;
254                 return;
255         }
256
257         /*
258          * Adjust estcpu and recalculate our priority, then put us back on
259          * the user process scheduler's runq.  Only increment the involuntary
260          * context switch count if the setrunqueue call did not immediately
261          * schedule us.
262          *
263          * Loop until we become the currently scheduled process.  Note that
264          * calling setrunqueue can cause us to be migrated to another cpu
265          * after we switch away.
266          */
267         do {
268                 crit_enter();
269                 bsd4_recalculate_estcpu(lp);
270                 lwkt_deschedule_self(gd->gd_curthread);
271                 bsd4_setrunqueue(lp);
272                 if ((gd->gd_curthread->td_flags & TDF_RUNQ) == 0)
273                         ++lp->lwp_stats->p_ru.ru_nivcsw;
274                 lwkt_switch();
275                 crit_exit();
276                 gd = mycpu;
277                 dd = &bsd4_pcpu[gd->gd_cpuid];
278         } while (dd->uschedcp != lp);
279         KKASSERT((lp->lwp_proc->p_flag & P_ONRUNQ) == 0);
280 }
281
282 /*
283  * BSD4_RELEASE_CURPROC
284  *
285  * This routine detaches the current thread from the userland scheduler,
286  * usually because the thread needs to run in the kernel (at kernel priority)
287  * for a while.
288  *
289  * This routine is also responsible for selecting a new thread to
290  * make the current thread.
291  *
292  * NOTE: This implementation differs from the dummy example in that
293  * bsd4_select_curproc() is able to select the current process, whereas
294  * dummy_select_curproc() is not able to select the current process.
295  * This means we have to NULL out uschedcp.
296  *
297  * Additionally, note that we may already be on a run queue if releasing
298  * via the lwkt_switch() in bsd4_setrunqueue().
299  *
300  * WARNING!  The MP lock may be in an unsynchronized state due to the
301  * way get_mplock() works and the fact that this function may be called
302  * from a passive release during a lwkt_switch().   try_mplock() will deal 
303  * with this for us but you should be aware that td_mpcount may not be
304  * useable.
305  *
306  * MPSAFE
307  */
308 static void
309 bsd4_release_curproc(struct lwp *lp)
310 {
311         globaldata_t gd = mycpu;
312         bsd4_pcpu_t dd = &bsd4_pcpu[gd->gd_cpuid];
313
314         if (dd->uschedcp == lp) {
315                 /*
316                  * Note: we leave ou curprocmask bit set to prevent
317                  * unnecessary scheduler helper wakeups.  
318                  * bsd4_select_curproc() will clean it up.
319                  */
320                 KKASSERT((lp->lwp_proc->p_flag & P_ONRUNQ) == 0);
321                 dd->uschedcp = NULL;    /* don't let lp be selected */
322                 bsd4_select_curproc(gd);
323         }
324 }
325
326 /*
327  * BSD4_SELECT_CURPROC
328  *
329  * Select a new current process for this cpu.  This satisfies a user
330  * scheduler reschedule request so clear that too.
331  *
332  * This routine is also responsible for equal-priority round-robining,
333  * typically triggered from bsd4_schedulerclock().  In our dummy example
334  * all the 'user' threads are LWKT scheduled all at once and we just
335  * call lwkt_switch().
336  *
337  * MPSAFE
338  */
339 static
340 void
341 bsd4_select_curproc(globaldata_t gd)
342 {
343         bsd4_pcpu_t dd = &bsd4_pcpu[gd->gd_cpuid];
344         struct lwp *nlp;
345         int cpuid = gd->gd_cpuid;
346
347         crit_enter_gd(gd);
348         clear_user_resched();   /* This satisfied the reschedule request */
349         dd->rrcount = 0;        /* Reset the round-robin counter */
350
351         spin_lock_wr(&bsd4_spin);
352         if ((nlp = chooseproc_locked(dd->uschedcp)) != NULL) {
353                 atomic_set_int(&bsd4_curprocmask, 1 << cpuid);
354                 dd->upri = nlp->lwp_priority;
355                 dd->uschedcp = nlp;
356                 spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
357 #ifdef SMP
358                 lwkt_acquire(nlp->lwp_thread);
359 #endif
360                 lwkt_schedule(nlp->lwp_thread);
361         } else if (dd->uschedcp) {
362                 dd->upri = dd->uschedcp->lwp_priority;
363                 spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
364                 KKASSERT(bsd4_curprocmask & (1 << cpuid));
365         } else if (bsd4_runqcount && (bsd4_rdyprocmask & (1 << cpuid))) {
366                 atomic_clear_int(&bsd4_curprocmask, 1 << cpuid);
367                 atomic_clear_int(&bsd4_rdyprocmask, 1 << cpuid);
368                 dd->uschedcp = NULL;
369                 dd->upri = PRIBASE_NULL;
370                 spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
371                 lwkt_schedule(&dd->helper_thread);
372         } else {
373                 dd->uschedcp = NULL;
374                 dd->upri = PRIBASE_NULL;
375                 atomic_clear_int(&bsd4_curprocmask, 1 << cpuid);
376                 spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
377         }
378         crit_exit_gd(gd);
379 }
380
381 /*
382  * BSD4_SETRUNQUEUE
383  *
384  * This routine is called to schedule a new user process after a fork.
385  *
386  * The caller may set P_PASSIVE_ACQ in p_flag to indicate that we should
387  * attempt to leave the thread on the current cpu.
388  *
389  * If P_PASSIVE_ACQ is set setrunqueue() will not wakeup potential target
390  * cpus in an attempt to keep the process on the current cpu at least for
391  * a little while to take advantage of locality of reference (e.g. fork/exec
392  * or short fork/exit, and uio_yield()).
393  *
394  * CPU AFFINITY: cpu affinity is handled by attempting to either schedule
395  * or (user level) preempt on the same cpu that a process was previously
396  * scheduled to.  If we cannot do this but we are at enough of a higher
397  * priority then the processes running on other cpus, we will allow the
398  * process to be stolen by another cpu.
399  *
400  * WARNING!  This routine cannot block.  bsd4_acquire_curproc() does 
401  * a deschedule/switch interlock and we can be moved to another cpu
402  * the moment we are switched out.  Our LWKT run state is the only
403  * thing preventing the transfer.
404  *
405  * The associated thread must NOT currently be scheduled (but can be the
406  * current process after it has been LWKT descheduled).  It must NOT be on
407  * a bsd4 scheduler queue either.  The purpose of this routine is to put
408  * it on a scheduler queue or make it the current user process and LWKT
409  * schedule it.  It is possible that the thread is in the middle of a LWKT
410  * switchout on another cpu, lwkt_acquire() deals with that case.
411  *
412  * The process must be runnable.
413  *
414  * MPSAFE
415  */
416 static void
417 bsd4_setrunqueue(struct lwp *lp)
418 {
419         globaldata_t gd;
420         bsd4_pcpu_t dd;
421         int cpuid;
422 #ifdef SMP
423         cpumask_t mask;
424         cpumask_t tmpmask;
425 #endif
426
427         /*
428          * First validate the process state relative to the current cpu.
429          * We don't need the spinlock for this, just a critical section.
430          * We are in control of the process.
431          */
432         crit_enter();
433         KASSERT(lp->lwp_proc->p_stat == SRUN, ("setrunqueue: proc not SRUN"));
434         KASSERT((lp->lwp_proc->p_flag & P_ONRUNQ) == 0,
435             ("lwp %d/%d already on runq! flag %08x", lp->lwp_proc->p_pid,
436              lp->lwp_tid, lp->lwp_proc->p_flag));
437         KKASSERT((lp->lwp_thread->td_flags & TDF_RUNQ) == 0);
438
439         /*
440          * Note: gd and dd are relative to the target thread's last cpu,
441          * NOT our current cpu.
442          */
443         gd = lp->lwp_thread->td_gd;
444         dd = &bsd4_pcpu[gd->gd_cpuid];
445
446         /*
447          * If setrunqueue is being called due to being woken up, verses
448          * being called when aquiring the current process, recalculate
449          * estcpu.
450          *
451          * Because recalculate is only called once or twice for long sleeps,
452          * not every second forever while the process is sleeping, we have 
453          * to manually call it to resynchronize p_cpbase on wakeup or it
454          * will wrap if the process was sleeping long enough (e.g. ~10 min
455          * with the ACPI timer) and really mess up the nticks calculation.
456          *
457          * NOTE: because P_ONRUNQ is not set, bsd4_recalculate_estcpu()'s
458          * calls to resetpriority will just play with the processes priority
459          * fields and not mess with any queues, so it is MPSAFE in this
460          * context.
461          */
462         if (lp->lwp_slptime && (lp->lwp_thread->td_flags & TDF_RUNNING) == 0) {
463             bsd4_recalculate_estcpu(lp);
464             lp->lwp_slptime = 0;
465         }
466
467         /*
468          * This process is not supposed to be scheduled anywhere or assigned
469          * as the current process anywhere.  Assert the condition.
470          */
471         KKASSERT(dd->uschedcp != lp);
472
473         /*
474          * Check local cpu affinity.  The associated thread is stable at 
475          * the moment.  Note that we may be checking another cpu here so we
476          * have to be careful.  We can only assign uschedcp on OUR cpu.
477          *
478          * This allows us to avoid actually queueing the process.  
479          * acquire_curproc() will handle any threads we mistakenly schedule.
480          */
481         cpuid = gd->gd_cpuid;
482         if (gd == mycpu && (bsd4_curprocmask & (1 << cpuid)) == 0) {
483                 atomic_set_int(&bsd4_curprocmask, 1 << cpuid);
484                 dd->uschedcp = lp;
485                 dd->upri = lp->lwp_priority;
486                 lwkt_schedule(lp->lwp_thread);
487                 crit_exit();
488                 return;
489         }
490
491         /*
492          * gd and cpuid may still 'hint' at another cpu.  Even so we have
493          * to place this process on the userland scheduler's run queue for
494          * action by the target cpu.
495          */
496 #ifdef SMP
497         /*
498          * XXX fixme.  Could be part of a remrunqueue/setrunqueue
499          * operation when the priority is recalculated, so TDF_MIGRATING
500          * may already be set.
501          */
502         if ((lp->lwp_thread->td_flags & TDF_MIGRATING) == 0)
503                 lwkt_giveaway(lp->lwp_thread);
504 #endif
505
506         /*
507          * We lose control of lp the moment we release the spinlock after
508          * having placed lp on the queue.  i.e. another cpu could pick it
509          * up and it could exit, or its priority could be further adjusted,
510          * or something like that.
511          */
512         spin_lock_wr(&bsd4_spin);
513         bsd4_setrunqueue_locked(lp);
514
515         /*
516          * gd, dd, and cpuid are still our target cpu 'hint', not our current
517          * cpu info.
518          *
519          * We always try to schedule a LWP to its original cpu first.  It
520          * is possible for the scheduler helper or setrunqueue to assign
521          * the LWP to a different cpu before the one we asked for wakes
522          * up.
523          *
524          * If the LWP has higher priority (lower lwp_priority value) on
525          * its target cpu, reschedule on that cpu.
526          */
527         if ((lp->lwp_thread->td_flags & TDF_NORESCHED) == 0) {
528                 if ((dd->upri & ~PRIMASK) > (lp->lwp_priority & ~PRIMASK)) {
529                         dd->upri = lp->lwp_priority;
530                         spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
531 #ifdef SMP
532                         if (gd == mycpu) {
533                                 need_user_resched();
534                         } else {
535                                 lwkt_send_ipiq(gd, need_user_resched_remote,
536                                                NULL);
537                         }
538 #else
539                         need_user_resched();
540 #endif
541                         crit_exit();
542                         return;
543                 }
544         }
545         spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
546
547 #ifdef SMP
548         /*
549          * Otherwise the LWP has a lower priority or we were asked not
550          * to reschedule.  Look for an idle cpu whos scheduler helper
551          * is ready to accept more work.
552          *
553          * Look for an idle cpu starting at our rotator (bsd4_scancpu).
554          *
555          * If no cpus are ready to accept work, just return.
556          *
557          * XXX P_PASSIVE_ACQ
558          */
559         mask = ~bsd4_curprocmask & bsd4_rdyprocmask & mycpu->gd_other_cpus &
560             lp->lwp_cpumask;
561         if (mask) {
562                 cpuid = bsd4_scancpu;
563                 if (++cpuid == ncpus)
564                         cpuid = 0;
565                 tmpmask = ~((1 << cpuid) - 1);
566                 if (mask & tmpmask)
567                         cpuid = bsfl(mask & tmpmask);
568                 else
569                         cpuid = bsfl(mask);
570                 atomic_clear_int(&bsd4_rdyprocmask, 1 << cpuid);
571                 bsd4_scancpu = cpuid;
572                 lwkt_schedule(&bsd4_pcpu[cpuid].helper_thread);
573         }
574 #endif
575         crit_exit();
576 }
577
578 /*
579  * This routine is called from a systimer IPI.  It MUST be MP-safe and
580  * the BGL IS NOT HELD ON ENTRY.  This routine is called at ESTCPUFREQ on
581  * each cpu.
582  *
583  * Because this is effectively a 'fast' interrupt, we cannot safely
584  * use spinlocks unless gd_spinlock_rd is NULL and gd_spinlocks_wr is 0,
585  * even if the spinlocks are 'non conflicting'.  This is due to the way
586  * spinlock conflicts against cached read locks are handled.
587  *
588  * MPSAFE
589  */
590 static
591 void
592 bsd4_schedulerclock(struct lwp *lp, sysclock_t period, sysclock_t cpstamp)
593 {
594         globaldata_t gd = mycpu;
595         bsd4_pcpu_t dd = &bsd4_pcpu[gd->gd_cpuid];
596
597         /*
598          * Do we need to round-robin?  We round-robin 10 times a second.
599          * This should only occur for cpu-bound batch processes.
600          */
601         if (++dd->rrcount >= usched_bsd4_rrinterval) {
602                 dd->rrcount = 0;
603                 need_user_resched();
604         }
605
606         /*
607          * As the process accumulates cpu time p_estcpu is bumped and may
608          * push the process into another scheduling queue.  It typically
609          * takes 4 ticks to bump the queue.
610          */
611         lp->lwp_estcpu = ESTCPULIM(lp->lwp_estcpu + ESTCPUINCR);
612
613         /*
614          * Reducing p_origcpu over time causes more of our estcpu to be
615          * returned to the parent when we exit.  This is a small tweak
616          * for the batch detection heuristic.
617          */
618         if (lp->lwp_origcpu)
619                 --lp->lwp_origcpu;
620
621         /*
622          * We can only safely call bsd4_resetpriority(), which uses spinlocks,
623          * if we aren't interrupting a thread that is using spinlocks.
624          * Otherwise we can deadlock with another cpu waiting for our read
625          * spinlocks to clear.
626          */
627         if (gd->gd_spinlock_rd == NULL && gd->gd_spinlocks_wr == 0)
628                 bsd4_resetpriority(lp);
629         else
630                 need_user_resched();
631 }
632
633 /*
634  * Called from acquire and from kern_synch's one-second timer (one of the
635  * callout helper threads) with a critical section held. 
636  *
637  * Decay p_estcpu based on the number of ticks we haven't been running
638  * and our p_nice.  As the load increases each process observes a larger
639  * number of idle ticks (because other processes are running in them).
640  * This observation leads to a larger correction which tends to make the
641  * system more 'batchy'.
642  *
643  * Note that no recalculation occurs for a process which sleeps and wakes
644  * up in the same tick.  That is, a system doing thousands of context
645  * switches per second will still only do serious estcpu calculations
646  * ESTCPUFREQ times per second.
647  *
648  * MPSAFE
649  */
650 static
651 void 
652 bsd4_recalculate_estcpu(struct lwp *lp)
653 {
654         globaldata_t gd = mycpu;
655         sysclock_t cpbase;
656         int loadfac;
657         int ndecay;
658         int nticks;
659         int nleft;
660
661         /*
662          * We have to subtract periodic to get the last schedclock
663          * timeout time, otherwise we would get the upcoming timeout.
664          * Keep in mind that a process can migrate between cpus and
665          * while the scheduler clock should be very close, boundary
666          * conditions could lead to a small negative delta.
667          */
668         cpbase = gd->gd_schedclock.time - gd->gd_schedclock.periodic;
669
670         if (lp->lwp_slptime > 1) {
671                 /*
672                  * Too much time has passed, do a coarse correction.
673                  */
674                 lp->lwp_estcpu = lp->lwp_estcpu >> 1;
675                 bsd4_resetpriority(lp);
676                 lp->lwp_cpbase = cpbase;
677                 lp->lwp_cpticks = 0;
678         } else if (lp->lwp_cpbase != cpbase) {
679                 /*
680                  * Adjust estcpu if we are in a different tick.  Don't waste
681                  * time if we are in the same tick. 
682                  * 
683                  * First calculate the number of ticks in the measurement
684                  * interval.  The nticks calculation can wind up 0 due to
685                  * a bug in the handling of lwp_slptime  (as yet not found),
686                  * so make sure we do not get a divide by 0 panic.
687                  */
688                 nticks = (cpbase - lp->lwp_cpbase) / gd->gd_schedclock.periodic;
689                 if (nticks <= 0)
690                         nticks = 1;
691                 updatepcpu(lp, lp->lwp_cpticks, nticks);
692
693                 if ((nleft = nticks - lp->lwp_cpticks) < 0)
694                         nleft = 0;
695                 if (usched_debug == lp->lwp_proc->p_pid) {
696                         printf("pid %d tid %d estcpu %d cpticks %d nticks %d nleft %d",
697                                 lp->lwp_proc->p_pid, lp->lwp_tid, lp->lwp_estcpu,
698                                 lp->lwp_cpticks, nticks, nleft);
699                 }
700
701                 /*
702                  * Calculate a decay value based on ticks remaining scaled
703                  * down by the instantanious load and p_nice.
704                  */
705                 if ((loadfac = bsd4_runqcount) < 2)
706                         loadfac = 2;
707                 ndecay = nleft * usched_bsd4_decay * 2 * 
708                         (PRIO_MAX * 2 - lp->lwp_proc->p_nice) / (loadfac * PRIO_MAX * 2);
709
710                 /*
711                  * Adjust p_estcpu.  Handle a border case where batch jobs
712                  * can get stalled long enough to decay to zero when they
713                  * shouldn't.
714                  */
715                 if (lp->lwp_estcpu > ndecay * 2)
716                         lp->lwp_estcpu -= ndecay;
717                 else
718                         lp->lwp_estcpu >>= 1;
719
720                 if (usched_debug == lp->lwp_proc->p_pid)
721                         printf(" ndecay %d estcpu %d\n", ndecay, lp->lwp_estcpu);
722                 bsd4_resetpriority(lp);
723                 lp->lwp_cpbase = cpbase;
724                 lp->lwp_cpticks = 0;
725         }
726 }
727
728 /*
729  * Compute the priority of a process when running in user mode.
730  * Arrange to reschedule if the resulting priority is better
731  * than that of the current process.
732  *
733  * This routine may be called with any process.
734  *
735  * This routine is called by fork1() for initial setup with the process
736  * of the run queue, and also may be called normally with the process on or
737  * off the run queue.
738  *
739  * MPSAFE
740  */
741 static void
742 bsd4_resetpriority(struct lwp *lp)
743 {
744         bsd4_pcpu_t dd;
745         int newpriority;
746         u_short newrqtype;
747         int reschedcpu;
748
749         /*
750          * Calculate the new priority and queue type
751          */
752         crit_enter();
753         spin_lock_wr(&bsd4_spin);
754
755         newrqtype = lp->lwp_rtprio.type;
756
757         switch(newrqtype) {
758         case RTP_PRIO_REALTIME:
759                 newpriority = PRIBASE_REALTIME +
760                              (lp->lwp_rtprio.prio & PRIMASK);
761                 break;
762         case RTP_PRIO_NORMAL:
763                 newpriority = (lp->lwp_proc->p_nice - PRIO_MIN) * PPQ / NICEPPQ;
764                 newpriority += lp->lwp_estcpu * PPQ / ESTCPUPPQ;
765                 newpriority = newpriority * MAXPRI / (PRIO_RANGE * PPQ /
766                               NICEPPQ + ESTCPUMAX * PPQ / ESTCPUPPQ);
767                 newpriority = PRIBASE_NORMAL + (newpriority & PRIMASK);
768                 break;
769         case RTP_PRIO_IDLE:
770                 newpriority = PRIBASE_IDLE + (lp->lwp_rtprio.prio & PRIMASK);
771                 break;
772         case RTP_PRIO_THREAD:
773                 newpriority = PRIBASE_THREAD + (lp->lwp_rtprio.prio & PRIMASK);
774                 break;
775         default:
776                 panic("Bad RTP_PRIO %d", newrqtype);
777                 /* NOT REACHED */
778         }
779
780         /*
781          * The newpriority incorporates the queue type so do a simple masked
782          * check to determine if the process has moved to another queue.  If
783          * it has, and it is currently on a run queue, then move it.
784          */
785         if ((lp->lwp_priority ^ newpriority) & ~PPQMASK) {
786                 lp->lwp_priority = newpriority;
787                 if (lp->lwp_proc->p_flag & P_ONRUNQ) {
788                         bsd4_remrunqueue_locked(lp);
789                         lp->lwp_rqtype = newrqtype;
790                         lp->lwp_rqindex = (newpriority & PRIMASK) / PPQ;
791                         bsd4_setrunqueue_locked(lp);
792                         reschedcpu = lp->lwp_thread->td_gd->gd_cpuid;
793                 } else {
794                         lp->lwp_rqtype = newrqtype;
795                         lp->lwp_rqindex = (newpriority & PRIMASK) / PPQ;
796                         reschedcpu = -1;
797                 }
798         } else {
799                 lp->lwp_priority = newpriority;
800                 reschedcpu = -1;
801         }
802         spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
803
804         /*
805          * Determine if we need to reschedule the target cpu.  This only
806          * occurs if the LWP is already on a scheduler queue, which means
807          * that idle cpu notification has already occured.  At most we
808          * need only issue a need_user_resched() on the appropriate cpu.
809          */
810         if (reschedcpu >= 0) {
811                 dd = &bsd4_pcpu[reschedcpu];
812                 KKASSERT(dd->uschedcp != lp);
813                 if ((dd->upri & ~PRIMASK) > (lp->lwp_priority & ~PRIMASK)) {
814                         dd->upri = lp->lwp_priority;
815 #ifdef SMP
816                         if (reschedcpu == mycpu->gd_cpuid) {
817                                 need_user_resched();
818                         } else {
819                                 lwkt_send_ipiq(lp->lwp_thread->td_gd,
820                                                need_user_resched_remote, NULL);
821                         }
822 #else
823                         need_user_resched();
824 #endif
825                 }
826         }
827         crit_exit();
828 }
829
830 /*
831  * Called from fork1() when a new child process is being created.
832  *
833  * Give the child process an initial estcpu that is more batch then
834  * its parent and dock the parent for the fork (but do not
835  * reschedule the parent).   This comprises the main part of our batch
836  * detection heuristic for both parallel forking and sequential execs.
837  *
838  * Interactive processes will decay the boosted estcpu quickly while batch
839  * processes will tend to compound it.
840  * XXX lwp should be "spawning" instead of "forking"
841  *
842  * MPSAFE
843  */
844 static void
845 bsd4_forking(struct lwp *plp, struct lwp *lp)
846 {
847         lp->lwp_estcpu = ESTCPULIM(plp->lwp_estcpu + ESTCPUPPQ);
848         lp->lwp_origcpu = lp->lwp_estcpu;
849         plp->lwp_estcpu = ESTCPULIM(plp->lwp_estcpu + ESTCPUPPQ);
850 }
851
852 /*
853  * Called when the parent reaps a child.   Propogate cpu use by the child
854  * back to the parent.
855  *
856  * MPSAFE
857  */
858 static void
859 bsd4_exiting(struct lwp *plp, struct lwp *lp)
860 {
861         int delta;
862
863         if (plp->lwp_proc->p_pid != 1) {
864                 delta = lp->lwp_estcpu - lp->lwp_origcpu;
865                 if (delta > 0)
866                         plp->lwp_estcpu = ESTCPULIM(plp->lwp_estcpu + delta);
867         }
868 }
869
870
871 /*
872  * chooseproc() is called when a cpu needs a user process to LWKT schedule,
873  * it selects a user process and returns it.  If chklp is non-NULL and chklp
874  * has a better or equal priority then the process that would otherwise be
875  * chosen, NULL is returned.
876  *
877  * Until we fix the RUNQ code the chklp test has to be strict or we may
878  * bounce between processes trying to acquire the current process designation.
879  *
880  * MPSAFE - must be called with bsd4_spin exclusive held.  The spinlock is
881  *          left intact through the entire routine.
882  */
883 static
884 struct lwp *
885 chooseproc_locked(struct lwp *chklp)
886 {
887         struct lwp *lp;
888         struct rq *q;
889         u_int32_t *which, *which2;
890         u_int32_t pri;
891         u_int32_t rtqbits;
892         u_int32_t tsqbits;
893         u_int32_t idqbits;
894         cpumask_t cpumask;
895
896         rtqbits = bsd4_rtqueuebits;
897         tsqbits = bsd4_queuebits;
898         idqbits = bsd4_idqueuebits;
899         cpumask = mycpu->gd_cpumask;
900
901 #ifdef SMP
902 again:
903 #endif
904         if (rtqbits) {
905                 pri = bsfl(rtqbits);
906                 q = &bsd4_rtqueues[pri];
907                 which = &bsd4_rtqueuebits;
908                 which2 = &rtqbits;
909         } else if (tsqbits) {
910                 pri = bsfl(tsqbits);
911                 q = &bsd4_queues[pri];
912                 which = &bsd4_queuebits;
913                 which2 = &tsqbits;
914         } else if (idqbits) {
915                 pri = bsfl(idqbits);
916                 q = &bsd4_idqueues[pri];
917                 which = &bsd4_idqueuebits;
918                 which2 = &idqbits;
919         } else {
920                 return NULL;
921         }
922         lp = TAILQ_FIRST(q);
923         KASSERT(lp, ("chooseproc: no lwp on busy queue"));
924
925 #ifdef SMP
926         while ((lp->lwp_cpumask & cpumask) == 0) {
927                 lp = TAILQ_NEXT(lp, lwp_procq);
928                 if (lp == NULL) {
929                         *which2 &= ~(1 << pri);
930                         goto again;
931                 }
932         }
933 #endif
934
935         /*
936          * If the passed lwp <chklp> is reasonably close to the selected
937          * lwp <lp>, return NULL (indicating that <chklp> should be kept).
938          * 
939          * Note that we must error on the side of <chklp> to avoid bouncing
940          * between threads in the acquire code.
941          */
942         if (chklp) {
943                 if (chklp->lwp_priority < lp->lwp_priority + PPQ)
944                         return(NULL);
945         }
946
947 #ifdef SMP
948         /*
949          * If the chosen lwp does not reside on this cpu spend a few
950          * cycles looking for a better candidate at the same priority level.
951          * This is a fallback check, setrunqueue() tries to wakeup the
952          * correct cpu and is our front-line affinity.
953          */
954         if (lp->lwp_thread->td_gd != mycpu &&
955             (chklp = TAILQ_NEXT(lp, lwp_procq)) != NULL
956         ) {
957                 if (chklp->lwp_thread->td_gd == mycpu) {
958                         ++choose_affinity;
959                         lp = chklp;
960                 }
961         }
962 #endif
963
964         TAILQ_REMOVE(q, lp, lwp_procq);
965         --bsd4_runqcount;
966         if (TAILQ_EMPTY(q))
967                 *which &= ~(1 << pri);
968         KASSERT((lp->lwp_proc->p_flag & P_ONRUNQ) != 0, ("not on runq6!"));
969         lp->lwp_proc->p_flag &= ~P_ONRUNQ;
970         return lp;
971 }
972
973 #ifdef SMP
974 /*
975  * Called via an ipi message to reschedule on another cpu.
976  *
977  * MPSAFE
978  */
979 static
980 void
981 need_user_resched_remote(void *dummy)
982 {
983         need_user_resched();
984 }
985
986 #endif
987
988
989 /*
990  * bsd4_remrunqueue_locked() removes a given process from the run queue
991  * that it is on, clearing the queue busy bit if it becomes empty.
992  *
993  * Note that user process scheduler is different from the LWKT schedule.
994  * The user process scheduler only manages user processes but it uses LWKT
995  * underneath, and a user process operating in the kernel will often be
996  * 'released' from our management.
997  *
998  * MPSAFE - bsd4_spin must be held exclusively on call
999  */
1000 static void
1001 bsd4_remrunqueue_locked(struct lwp *lp)
1002 {
1003         struct rq *q;
1004         u_int32_t *which;
1005         u_int8_t pri;
1006
1007         KKASSERT(lp->lwp_proc->p_flag & P_ONRUNQ);
1008         lp->lwp_proc->p_flag &= ~P_ONRUNQ;
1009         --bsd4_runqcount;
1010         KKASSERT(bsd4_runqcount >= 0);
1011
1012         pri = lp->lwp_rqindex;
1013         switch(lp->lwp_rqtype) {
1014         case RTP_PRIO_NORMAL:
1015                 q = &bsd4_queues[pri];
1016                 which = &bsd4_queuebits;
1017                 break;
1018         case RTP_PRIO_REALTIME:
1019         case RTP_PRIO_FIFO:
1020                 q = &bsd4_rtqueues[pri];
1021                 which = &bsd4_rtqueuebits;
1022                 break;
1023         case RTP_PRIO_IDLE:
1024                 q = &bsd4_idqueues[pri];
1025                 which = &bsd4_idqueuebits;
1026                 break;
1027         default:
1028                 panic("remrunqueue: invalid rtprio type");
1029                 /* NOT REACHED */
1030         }
1031         TAILQ_REMOVE(q, lp, lwp_procq);
1032         if (TAILQ_EMPTY(q)) {
1033                 KASSERT((*which & (1 << pri)) != 0,
1034                         ("remrunqueue: remove from empty queue"));
1035                 *which &= ~(1 << pri);
1036         }
1037 }
1038
1039 /*
1040  * bsd4_setrunqueue_locked()
1041  *
1042  * Add a process whos rqtype and rqindex had previously been calculated
1043  * onto the appropriate run queue.   Determine if the addition requires
1044  * a reschedule on a cpu and return the cpuid or -1.
1045  *
1046  * NOTE: Lower priorities are better priorities.
1047  *
1048  * MPSAFE - bsd4_spin must be held exclusively on call
1049  */
1050 static void
1051 bsd4_setrunqueue_locked(struct lwp *lp)
1052 {
1053         struct rq *q;
1054         u_int32_t *which;
1055         int pri;
1056
1057         KKASSERT((lp->lwp_proc->p_flag & P_ONRUNQ) == 0);
1058         lp->lwp_proc->p_flag |= P_ONRUNQ;
1059         ++bsd4_runqcount;
1060
1061         pri = lp->lwp_rqindex;
1062
1063         switch(lp->lwp_rqtype) {
1064         case RTP_PRIO_NORMAL:
1065                 q = &bsd4_queues[pri];
1066                 which = &bsd4_queuebits;
1067                 break;
1068         case RTP_PRIO_REALTIME:
1069         case RTP_PRIO_FIFO:
1070                 q = &bsd4_rtqueues[pri];
1071                 which = &bsd4_rtqueuebits;
1072                 break;
1073         case RTP_PRIO_IDLE:
1074                 q = &bsd4_idqueues[pri];
1075                 which = &bsd4_idqueuebits;
1076                 break;
1077         default:
1078                 panic("remrunqueue: invalid rtprio type");
1079                 /* NOT REACHED */
1080         }
1081
1082         /*
1083          * Add to the correct queue and set the appropriate bit.  If no
1084          * lower priority (i.e. better) processes are in the queue then
1085          * we want a reschedule, calculate the best cpu for the job.
1086          *
1087          * Always run reschedules on the LWPs original cpu.
1088          */
1089         TAILQ_INSERT_TAIL(q, lp, lwp_procq);
1090         *which |= 1 << pri;
1091 }
1092
1093 #ifdef SMP
1094
1095 /*
1096  * For SMP systems a user scheduler helper thread is created for each
1097  * cpu and is used to allow one cpu to wakeup another for the purposes of
1098  * scheduling userland threads from setrunqueue().  UP systems do not
1099  * need the helper since there is only one cpu.  We can't use the idle
1100  * thread for this because we need to hold the MP lock.  Additionally,
1101  * doing things this way allows us to HLT idle cpus on MP systems.
1102  *
1103  * MPSAFE
1104  */
1105 static void
1106 sched_thread(void *dummy)
1107 {
1108     globaldata_t gd;
1109     bsd4_pcpu_t  dd;
1110     struct lwp *nlp;
1111     cpumask_t cpumask;
1112     cpumask_t tmpmask;
1113     int cpuid;
1114     int tmpid;
1115
1116     gd = mycpu;
1117     cpuid = gd->gd_cpuid;       /* doesn't change */
1118     cpumask = 1 << cpuid;       /* doesn't change */
1119     dd = &bsd4_pcpu[cpuid];
1120
1121     /*
1122      * The scheduler thread does not need to hold the MP lock.  Since we
1123      * are woken up only when no user processes are scheduled on a cpu, we
1124      * can run at an ultra low priority.
1125      */
1126     rel_mplock();
1127     lwkt_setpri_self(TDPRI_USER_SCHEDULER);
1128
1129     for (;;) {
1130         /*
1131          * We use the LWKT deschedule-interlock trick to avoid racing
1132          * bsd4_rdyprocmask.  This means we cannot block through to the
1133          * manual lwkt_switch() call we make below.
1134          */
1135         crit_enter_gd(gd);
1136         lwkt_deschedule_self(gd->gd_curthread);
1137         spin_lock_wr(&bsd4_spin);
1138         atomic_set_int(&bsd4_rdyprocmask, cpumask);
1139         if ((bsd4_curprocmask & cpumask) == 0) {
1140                 if ((nlp = chooseproc_locked(NULL)) != NULL) {
1141                         atomic_set_int(&bsd4_curprocmask, cpumask);
1142                         dd->upri = nlp->lwp_priority;
1143                         dd->uschedcp = nlp;
1144                         spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
1145                         lwkt_acquire(nlp->lwp_thread);
1146                         lwkt_schedule(nlp->lwp_thread);
1147                 } else {
1148                         spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
1149                 }
1150         } else {
1151                 /*
1152                  * Someone scheduled us but raced.  In order to not lose
1153                  * track of the fact that there may be a LWP ready to go,
1154                  * forward the request to another cpu if available.
1155                  *
1156                  * Rotate through cpus starting with cpuid + 1.  Since cpuid
1157                  * is already masked out by gd_other_cpus, just use ~cpumask.
1158                  */
1159                 tmpmask = ~bsd4_curprocmask & bsd4_rdyprocmask &
1160                           mycpu->gd_other_cpus;
1161                 if (tmpmask) {
1162                         if (tmpmask & ~(cpumask - 1))
1163                                 tmpid = bsfl(tmpmask & ~(cpumask - 1));
1164                         else
1165                                 tmpid = bsfl(tmpmask);
1166                         bsd4_scancpu = tmpid;
1167                         atomic_clear_int(&bsd4_rdyprocmask, 1 << tmpid);
1168                         spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
1169                         lwkt_schedule(&bsd4_pcpu[tmpid].helper_thread);
1170                 } else {
1171                         spin_unlock_wr(&bsd4_spin);
1172                 }
1173         }
1174         crit_exit_gd(gd);
1175         lwkt_switch();
1176     }
1177 }
1178
1179 /*
1180  * Setup our scheduler helpers.  Note that curprocmask bit 0 has already
1181  * been cleared by rqinit() and we should not mess with it further.
1182  */
1183 static void
1184 sched_thread_cpu_init(void)
1185 {
1186     int i;
1187
1188     if (bootverbose)
1189         printf("start scheduler helpers on cpus:");
1190
1191     for (i = 0; i < ncpus; ++i) {
1192         bsd4_pcpu_t dd = &bsd4_pcpu[i];
1193         cpumask_t mask = 1 << i;
1194
1195         if ((mask & smp_active_mask) == 0)
1196             continue;
1197
1198         if (bootverbose)
1199             printf(" %d", i);
1200
1201         lwkt_create(sched_thread, NULL, NULL, &dd->helper_thread, 
1202                     TDF_STOPREQ, i, "usched %d", i);
1203
1204         /*
1205          * Allow user scheduling on the target cpu.  cpu #0 has already
1206          * been enabled in rqinit().
1207          */
1208         if (i)
1209             atomic_clear_int(&bsd4_curprocmask, mask);
1210         atomic_set_int(&bsd4_rdyprocmask, mask);
1211     }
1212     if (bootverbose)
1213         printf("\n");
1214 }
1215 SYSINIT(uschedtd, SI_SUB_FINISH_SMP, SI_ORDER_ANY, sched_thread_cpu_init, NULL)
1216
1217 #endif
1218