[論文レビュー] New Analysis Techniques for Supporting Hard Real-Time Sporadic DAG Task Systems on Multiprocessors

Zheng Dong, Cong Liu|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2018

Real-Time Systems Scheduling参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、マルチプロセッサ上でハードリアルタイムスパイクス DAG タスクシステムのための新しいスケジューリングおよび分析フレームワークを提案する。Lazy-Cpath ポリシーと実行/非実行区間ベースの分析を導入し、タスク内依存制約に起因する楽観的過剰な保守的解析を低減する。得られる利用度ベースのスケジュール可能性テストは、従来手法と比較して平均で60%以上のスケジュール可能性向上を達成し、DAG が通常のスパイクスタスクに退化する場合、古典的密度テストと一致する。

ABSTRACT

The scheduling and schedulability analysis of real-time directed acyclic graph (DAG) task systems have received much recent attention. The DAG model can accurately represent intra-task parallelim and precedence constraints existing in many application domains. Existing techniques show that analyzing the DAG model is fundamentally more challenging compared to the ordinary sporadic task model, due to the complex intra-DAG precedence constraints which may cause rather pessimistic schedulability loss. However,such increased loss is counter-intuitive because the DAG structure shall better exploit the parallelism provided by the multiprocessor platform. Our observation is that the intra-DAG precedence constraints, if not carefully considered by the scheduling algorithm, may cause very unpredictable execution behaviors of subtasks in a DAG and further cause pessimistic analysis. In this paper, we present a set of novel scheduling and analysis techniques for better supporting hard real-time sporadic DAG tasks on multiprocessors, through smartly defining and analyzing the execution order of subtasks in each DAG. Evaluation demonstrates that our developed utilization-based schedulability test is highly efficient, which dramatically improves schedulability of existing utilization-based tests by over 60% on average. Interestingly, when each DAG in the system is an ordinary sporadic task, our test becomes identical to the classical density test designed for the sporadic task model.

研究の動機と目的

• 従来の DAG タスクシステムのスケジュール可能性解析に見られる直感に反する楽観的過剰な保守的解析を是正すること。
• タスク内依存制約が予測不能なサブタスク実行行動を引き起こし、解析をあまりに保守的にする要因であることを同定すること。
• DAG 内のサブタスク実行順序を知的に制御することで、この楽観的過剰な保守的解析を低減するスケジューリングおよび分析フレームワークを開発すること。
• GEDF における干渉を束縛し、スケジュール可能性を保証するための cp 利用度とタスク利用度を用いた、効率的かつ高効果的な利用度ベースのスケジュール可能性テストを設計すること。

提案手法

• 各 DAG 内の準備完了サブタスクの実行順序をスマートに定義するための Lazy-Cpath ポリシーを導入し、依存制約に起因する干渉を最小限に抑える。
• 分析ウィンドウ内でのワークロード分布を正確にモデル化するため、実行/非実行区間ベースの分析技術を開発する。
• GEDF における干渉を束縛し、スケジュール可能性を保証する新しい利用度ベースのスケジュール可能性テストを提案する。
• サブタスク利用度の合計が、プロセッサ数とクリティカルパス利用度を含む境界を満たす必要がある、十分なスケジュール可能性条件を導出する。
• Lazy-Cpath ポリシーを用いた Global Earliest Deadline First (GEDF) スケジューリング下で、効率的かつスケーラブルな分析を可能にする。
• DAG が通常のスパイクスタスクに退化する場合、テストが古典的密度テストに還元されることを証明し、後方互換性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAG タスクシステムの既存のスケジュール可能性テストは、並列処理の潜在的利点を活用できるにもかかわらず、通常のスパイクスタスクのテストと比較して著しく楽観的過剰な保守的解析を示すのはなぜか？
• RQ2 タスク内依存制約は、正しさを損なわず、スケジュール可能性解析における楽観的過剰な保守的解析を低減するように、どのように管理できるか？
• RQ3 DAG タスクシステムにおけるマルチプロセッサ並列処理の利点をより効果的に活用するため、新しいスケジューリングポリシーと分析技術を設計できるか？
• RQ4 提案手法は、既存の利用度ベースのスケジュール可能性テストと比較して、スケジュール可能性の向上度と効率性の両面でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案された CP-GEDF テストは、CAB や SU といった既存の利用度ベーステストと比較して、平均で60%以上のスケジュール可能性向上を達成する。
• クリティカルパスが短く、タスクあたりの利用度が中程度の状況では、CP-GEDF は合計利用度が6まで100%のスケジュール可能性を達成するが、SU と CAB はそれぞれ3.25と1.25で失敗する。
• クリティカルパスが長く、利用度が重い状況では、CAB テストはいかなるタスク集合もスケジュール不能となるが、CP-GEDF は高いスケジュール可能性を維持する。
• CP-GEDF テストは、DAG タスクシステムが、内部並列処理の効果的活用により、同等のスパイクスタスクシステムよりもスケジュール可能性が高くなる可能性を示しており、古典的密度テスト（U-ordinary）との比較で裏付けられている。
• Lazy-Cpath ポリシーと区間ベースのワークロードモデリングにより、複雑なタスク内依存制約から解析を有効に分離することで、楽観的過剰な保守的解析を低減する。
• テストは、GEDF と Lazy-Cpath ポリシー下でのスケジュール可能性の十分条件として数学的に証明されており、DAG がスパイクスタスクに退化する場合、古典的密度テストに還元される。