リアルタイムプロセス管理

この記事では起動時だけではなく、リアルタイムにプロセススレッドの優先度を変更する情報を記載しています。個別のプロセスあるいは特定のグループによって実行された全てのプロセスの CPU やメモリなどのリソースの使用量を制御する方法を説明します。

新しいプロセッサの多くは大量の動画や音声を同時に再生できるほどの能力を持っていますが、それでもスレッドがプロセッサを占有して他の処理に遅延が発生する可能性が全く無いわけではありません。そのような場合、音声や動画にずれが生じてしまう恐れがあり、単に趣味で音楽を聞いているだけなら煩わしいだけですみますが、作曲したり動画を編集して生業を立てている人にとっては非常に深刻な問題です。

一番簡単な解決方法は音声や動画のプロセスに高い優先度を割り当てることです。しかしながら、通常ユーザーは比較的高い nice 値 (つまり優先度は低い) しか設定できず、0未満の低い nice 値を設定してプロセスを起動できるのは root だけとなっています。これによって通常ユーザーはシステムの重要な役割を担っているプロセスの優先度を下げられないようになっています。この制限は特にユーザーが複数存在するマシンで重要です。

設定

デフォルトで、Arch ではリアルタイムの優先度変更が有効になっており、ユーザーから簡単に設定を編集することができます。例えば、0以下の nice 値をユーザーが設定できるようにするには、PAM によって設定されているデフォルトのハードリミットを調整する必要があります。

pam

公式リポジトリの pam パッケージには Linux カーネルの pluggable authentication modules が入っています。

ノート: カスタムカーネルを使っている場合、"preemptible kernel" の設定が有効になっていることを確認してください。標準の Arch カーネルでは設定は不要です。

PAM の設定

/etc/security/limits.conf ファイルにはシステムリソースの制限を設定する PAM モジュール pam_limits の設定が書き込まれています。このファイルを編集することで全てのプロセスや個別のグループのデフォルトの nice レベルを定義したり、メモリアドレス領域の制限をかけたりすることができます。

ノート: Systemd サービスによって初期化されたプロセスは limits.conf を無視します。.service ファイルで設定する必要があります。詳しくは systemd.exec(5) を見てください。

pam_limits によるリソースの制限には2つのタイプがあります: ハードリミットとソフトリミットです。ハードリミットは root によって設定されカーネルによって執行されますが、ソフトリミットについてはハードリミットが許可する範囲内でユーザーが設定できます。デフォルトでは、Arch は - リミットを使っており、ハードリミットとソフトリミットの両方が参照されます。

Arch Linux のデフォルト設定では非特権プロセスで許可されている最大リアルタイム優先度は 0 で、上げることができる nice 値は最大で 0 までとなっています。audio グループに対してはカスタム設定が存在します。memlock アイテムはロックできるメモリアドレス領域の最大値を 40,000 KiB に設定します。以下のように確認できます:

*               -       rtprio          0
*               -       nice            0
@audio          -       rtprio          65
@audio          -       nice           -10
@audio          -       memlock         40000

ハイパフォーマンスなオーディオを使いたい場合などに上記の設定を変更します。jack-server を hydrogen や ardour で使うだけならデフォルト設定で問題ありません。さらに高いパフォーマンスを必要とするオーディオアプリケーションでは rt_prio を 65 から 80 以上の値に再定義すると良いでしょう。以下の設定で ardour の動作が良くなります:

@audio          -       rtprio          70
@audio          -       memlock         250000

詳しくはプロオーディオを見てください。

PAM limits で設定できる値は星の数ほどあります。ここで説明しているのはあくまで概要だけなので、より深く理解するために limits.conf(5) のページを読むことを強く推奨します。

ハードリアルタイムとソフトリアルタイム

リアルタイムとは他のプロセスによって割り込みが発生しないで時間内に実行することができるプロセスのことです。ただし、サイクルはときどき破棄される可能性があります。電源供給が少なかったり高い優先度のプロセスがある場合などに発生します。問題を解決するためにリアルタイム品質のスケーリングが存在します。この記事ではソフトリアルタイムを取り扱っています。ハードリアルタイムは基本的にそこまで必要とされる場合は多くありません。例えば自動車の ABS (アンチロックブレーキシステム) などです。ブレーキが効かなかった場合に二度目はありません。

Power is nothing without control

realtime-lsm モジュールは特定の UID に属するユーザーにさらに強いケイパビリティを手に入れる権限を与えます。rlimit も同じように機能しますが、細かい制御が可能です。ユーザーごと、あるいはグループレベルでケイパビリティを制御することができる新しい機能が PAM には存在します。現在のバージョン (0.80-2) では最初は正しく設定されておらず問題が発生します。PAM を使うことで特定のユーザーや特定のユーザーグループにリアルタイムの優先度を与えることができます。PAM のコンセプトではアプリケーションごとに権限を与えることすら可能となる予定ですが、今のところは不可能となっています。

ヒントとテクニック

PAM が有効なログイン

参照: ログイン時に X を起動。

PAM limits の設定を使用するには pam が有効になるログイン方法やログインマネージャを使わなければなりません。ほとんど全てのグラフィカルなログインマネージャは pam が有効になっており、Arch のデフォルトログインでも pam は有効です。/etc/pam.d を検索することで確認できます:

$ grep pam_limits.so /etc/pam.d/*

何も出力されない場合でも、ログインマネージャ (と PolicyKit) を使っていれば問題ありません。以下のような出力がされるのが理想です:

/etc/pam.d/crond:session   required    pam_limits.so
/etc/pam.d/login:session		required	pam_limits.so
/etc/pam.d/polkit-1:session         required        pam_limits.so
/etc/pam.d/system-auth:session   required  pam_limits.so
/etc/pam.d/system-services:session   required    pam_limits.so

login や PolicyKit などは全て pam_limits.so モジュールを必要とします。これは良いことであり PAM の制限が適用されることを意味します。

コンソール/自動ログイン

参照: 仮想端末に自動ログイン。

グラフィカルログインをしない場合でも、方法はあります。(coreutils に含まれている) su の pam を編集してください [1]:

/etc/pam.d/su

 ...
 session              required        pam_limits.so

参考

RLIMIT 定義

RLIMIT_AS: プロセスの仮想メモリ (アドレス領域) の最大容量をバイト単位で設定します。brk(2), mmap(2), mremap(2) のコールに影響し、制限を越えると ENOMEM エラーが発生します。また、自動的なスタック拡張も失敗します (SIGSEGV が生成され sigaltstack(2) による別のスタックが利用可能でなければプロセスが kill されます)。RLIMIT_AS の値は long であるため、long が32ビットのマシンでは、制限は最大で 2 GiB であるか、あるいは無制限になります。
RLIMIT_CORE: コアファイルの最大容量。0 の場合はコアダンプファイルが作成されません。0 以外の場合、巨大なダンプは指定された容量まで切り詰められます。
RLIMIT_CPU: CPU 時間の制限 (秒単位)。プロセスがソフトリミットに達すると、SIGXCPU シグナルが送信されます。このシグナルが送られるとデフォルトではプロセスが終了します。ただし、シグナルをハンドラがキャッチしてメインプログラムに制御を返すこともあります。プロセスが CPU 時間を消費し続ける場合、ハードリミットに達するまで1秒ごとに SIGXCPU が送信され、ハードリミットに達すると SIGKILL が送信されます (Linux 2.2 から 2.6 までの挙動です。ソフトリミットに達しても CPU 時間を浪費し続けるプロセスをどのように扱うかは実装によって変わります。シグナルをキャッチする必要があるポータブルアプリケーションは大抵の場合 SIGXCPU を最初に受け取ったときに終了します)。
RLIMIT_DATA: プロセスのデータセグメント (初期化されたデータ・初期化されていないデータ・ヒープ) の最大容量。この制限は brk(2) と sbrk(2) のコールに影響し、リソースのソフトリミットに達すると ENOMEM エラーでコールが失敗します。
RLIMIT_FSIZE: プロセスが作成できるファイルの最大容量。この制限を超えてファイルを書き込むと SIGXFSZ シグナルが送信されます。デフォルトではシグナルによってプロセスが終了しますが、プロセスがシグナルをキャッチする場合もあり、その場合は関連するシステムコール (例: write(2), truncate(2)) が EFBIG エラーで失敗します。
RLIMIT_LOCKS: (初期の Linux 2.4 のみ) プロセスが作成できる flock(2) のロックと fcntl(2) のリースの合計数を制限します。
RLIMIT_MEMLOCK: The maximum number of bytes of memory that may be locked into RAM. In effect this limit is rounded down to the nearest multiple of the system page size. This limit affects mlock(2) and mlockall(2) and the mmap(2) MAP_LOCKED operation. Since Linux 2.6.9 it also affects the shmctl(2) SHM_LOCK operation, where it sets a maximum on the total bytes in shared memory segments (see shmget(2)) that may be locked by the real user ID of the calling process. The shmctl(2) SHM_LOCK locks are accounted for separately from the per-process memory locks established by mlock(2), mlockall(2), and mmap(2) MAP_LOCKED; a process can lock bytes up to this limit in each of these two categories. In Linux kernels before 2.6.9, this limit controlled the amount of memory that could be locked by a privileged process. Since Linux 2.6.9, no limits are placed on the amount of memory that a privileged process may lock, and this limit instead governs the amount of memory that an unprivileged process may lock.
RLIMIT_MSGQUEUE: (Linux 2.6.8 以上) Specifies the limit on the number of bytes that can be allocated for POSIX message queues for the real user ID of the calling process. This limit is enforced for mq_open(3). Each message queue that the user creates counts (until it is removed) against this limit according to the formula: bytes = attr.mq_maxmsg * sizeof(struct msg_msg *) + attr.mq_maxmsg * attr.mq_msgsize where attr is the mq_attr structure specified as the fourth argument to mq_open(3). The first addend in the formula, which includes sizeof(struct msg_msg *) (4 bytes on Linux/i386), ensures that the user cannot create an unlimited number of zero-length messages (such messages nevertheless each consume some system memory for bookkeeping overhead).
RLIMIT_NICE: (since Linux 2.6.12, but see BUGS below) Specifies a ceiling to which the process’s nice value can be raised using setpriority(2) or nice(2). The actual ceiling for the nice value is calculated as 20 – rlim_cur. (This strangeness occurs because negative numbers cannot be specified as resource limit values, since they typically have special meanings. For example, RLIM_INFINITY typically is the same as -1.)
RLIMIT_NOFILE: Specifies a value one greater than the maximum file descriptor number that can be opened by this process. Attempts (open(2), pipe(2), dup(2), etc.) to exceed this limit yield the error EMFILE. (Historically, this limit was named RLIMIT_OFILE on BSD.)
RLIMIT_NPROC: The maximum number of processes (or, more precisely on Linux, threads) that can be created for the real user ID of the calling process. Upon encountering this limit, fork(2) fails with the error EAGAIN.
RLIMIT_RSS: Specifies the limit (in pages) of the process’s resident set (the number of virtual pages resident in RAM). This limit only has effect in Linux 2.4.x, x < 30, and there only affects calls to madvise(2) specifying MADV_WILLNEED.
RLIMIT_RTPRIO: (Since Linux 2.6.12, but see BUGS) Specifies a ceiling on the real-time priority that may be set for this process using sched_setscheduler(2) and sched_setparam(2).
RLIMIT_RTTIME: (Since Linux 2.6.25) Specifies a limit on the amount of CPU time that a process scheduled under a real-time scheduling policy may consume without making a blocking system call. For the purpose of this limit, each time a process makes a blocking system call, the count of its consumed CPU time is reset to zero. The CPU time count is not reset if the process continues trying to use the CPU but is preempted, its time slice expires, or it calls sched_yield(2). Upon reaching the soft limit, the process is sent a SIGXCPU signal. If the process catches or ignores this signal and continues consuming CPU time, then SIGXCPU will be generated once each second until the hard limit is reached, at which point the process is sent a SIGKILL signal. The intended use of this limit is to stop a runaway real-time process from locking up the system.
RLIMIT_SIGPENDING: (Linux 2.6.8 以上) プロセスを呼び出している実ユーザー ID に対してキューに入れられるシグナルの数の制限を指定します。標準シグナルとリアルタイムシグナルの両方が制限をチェックするときにカウントされます。ただし制限が適用されるのは sigqueue(2) だけです。kill(2) を使用することで常にまだキューに入れられていないシグナルのインスタンスをキューに入れることができます。
RLIMIT_STACK: プロセススタックの最大容量 (バイト単位)。上限に達すると、SIGSEGV シグナルが生成されます。このシグナルを処理するには、プロセスは別のシグナルスタック (sigaltstack(2)) を使用しなければなりません。

スケジューリングポリシー

CFS は3つのスケジューリングポリシーを実装しています:

SCHED_NORMAL (別名 SCHED_OTHER): 通常のタスクに使われるスケジューリングポリシー。
SCHED_BATCH: 通常のタスクと比べて優先度が低くなり、反応が鈍くなるかわりにタスクを長く動作させてキャッシュをより活用することができます。バッチジョブに適しています。
SCHED_IDLE: nice 19 よりも優先度が低くなります。ただしマシンをデッドロックさせるような優先順位の逆転を防ぐために、完全なアイドルタイマースケジューラではありません。

スケジューリングクラス

IOPRIO_CLASS_RT: リアルタイム io クラスです。RT スケジューリングクラスは、システムで何が動作しているのかに関わらず、ディスクに対する第一級のアクセス権限を与えられます。そのため RT クラスは注意して使用しないと、他のプロセスに多大な影響を与える可能性があります。ベストエフォートクラスと同じように、スケジューリングウィンドウでどれだけタイムスライスをプロセスに与えるか定義する8つのプライオリティレベルが存在します。RT スケジューリングクラスはシステム内の他のどんなクラスよりも高い優先度を持っているため、RT スケジューリングクラスのプロセスはいかなる時でも真っ先にディスクにアクセスすることができます。将来的には必要なデータレートを指定することで直接適切なパフォーマンスが出せるようになる可能性があります。
IOPRIO_CLASS_BE: ベストエフォートのスケジューリングクラスで、特に優先度が設定されていないプロセスのデフォルトになります。プログラムは io の優先度について CPU の nice 設定を継承します。このクラスは 0-7 の優先度を指定でき、低い値ほど優先されます。同じベストエフォート優先度のプログラムはラウンドロビン方式で回されます。クラスデータはプロセスが使用できる io 帯域幅を決定し、大雑把に実装されている cpu の nice レベルに直接マッピングされます。0 が最高の BE レベルで、7 が最低です。cpu の nice 値と io の nice 値は次のようにしてマッピングされます: io_nice = (cpu_nice + 20) / 5。
IOPRIO_CLASS_IDLE: アイドルスケジューリングクラスです。このレベルで動作しているプロセスは他のプロセスがディスクを必要としないときだけ io を使用する時間を得ます。アイドル io プロセスは通常のシステムの活動には全く影響を与えません。このスケジューリングクラスは優先度を引数で指定できません。アイドルクラスにクラスデータは存在しません。

参照