docker cgroup技术之cpu和cpuset

　　在centos7的/sys/fs/cgroup下面可以看到与cpu相关的有cpu，cpuacct和cpuset 3个subsystem。cpu用于对cpu使用率的划分；cpuset用于设置cpu的亲和性等，主要用于numa架构的os；cpuacct记录了cpu的部分信息。对cpu资源的设置可以从2个维度考察：cpu使用百分比和cpu核数目。前者使用cpu subsystem进行配置，后者使用cpuset subsystem进程配置。首先看cpu subsystem的用法

cpu subsystem

cgroup使用如下2种方式来对cpu进行调度

完全公平调度程序（CFS）：按照比例进行cpu分配调度，具体实现可以参考CFS
实时调度程序（RT）：与CFS类似，用于限制实时任务对cpu的获取，一般用不到。(注：Linux的进程分普通进程和实时进程，实时进程比普通进程的优先级高，由于其在进程死亡之前始终是活动进程，故占用cpu资源大)

cpu subsystem主要涉及5接口:cpu.cfs_period_us，cpu.cfs_quota_us，cpu.shares，cpu.rt_period_us，cpu.rt_runtime_us

cfs_quota_us为-1，表示使用的CPU不受cgroup限制。cfs_quota_us的最小值为1ms(1000)，最大值为1s，参见CFS Bandwidth Control

cpu.cfs_period_us用于设置cpu带宽(bandwidth)，单位为微秒us。cpu.cfs_quota_us设置cpu.cfs_period_us周期内cgroup可使用的cpu。多核场景下，如配置cpu.cfs_period_us=10000，而cfs_quota_us=20000，表示该cgroup可以完全使用2个cpu。较大的cfs_period_us可以提高吞吐量(可以为CPU密集型任务提供更多运行时间)。cfs_period_us表示一个CPU的宽度，系统上可用的总的CPU宽度为：(cpus on the host) * (cpu.cfs_period_us)。当出现如下条件时，cpu.stat中的nr_throttled统计会+1。

周期(period)内使用的CPU达到quota的CPU
父cgroup中使用的CPU达到其quota的CPU

首先在/sys/fs/cgroup/cpu下面新建一个cgroup，将cpu周期设置为100000，cgroup在单个周期中占用时长为50000，即单个cpu的50%

# cat cpu.cfs_period_us
100000
# echo 50000 > cpu.cfs_quota_us
# bash
# cat tasks
# echo $$
40768
# echo $$ > cgroup.procs
# while true; do a=a+1;done

PID   USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM   TIME+   COMMAND
40768 root      20  0   116872   3644   1808 R  50.3  0.4   0:19.75  bash

下例中将cpu周期设置为100000，cgroup在单个周期中占用时长为300000，即该cgroup可以完全占用3个cpu(当前环境4 cpu)。

启动一个bash执行while true; do a=a+1;done并将该进程加入到cgroup.procs，使用top命令可以看到1个cpu使用率已经达到100%

top - 13:20:06 up 19:24,7 users,load average: 3.21,1)">2.03,1)">0.95
Tasks: 252 total,1)">3 running,1)">249 sleeping,1)">0 stopped,1)">0 zombie
%Cpu0  :  0.3 us,1)">0.0 sy,1)">0.0 ni,1)">99.7 id,1)">0.0 wa,1)">0.0 hi,1)">0.0 si,1)">0.0 st
%Cpu1  :  0.0 us,1)">100.0 id,1)"> st
%Cpu2  :100.0 us,1)">0.0 id,1)"> st
%Cpu3  :  0.3 sy,1)"> st
KiB Mem :   995896 total,1)">75412 free,1)">547276 used,1)">373208 buff/cache
KiB Swap:  2097148 total,1)">1651216 free,1)">445932 used.   138856 avail Mem

   PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
 41416 root      20   0  99.7  5:41.19 bash

(新shell中)再启动一个bash执行while true; do a=a+1;done，将该进程加入到cgroup.procs，使用top命令可以看到2个cpu使用率已经达到100%

top - 22:51 up 27,1)">1.42,1)">1.65,1)">0.98 st
%Cpu1  :100.0 us,1)"> st
%Cpu2  :75124 free,1)">547544 used,1)">373228 buff/1382521808 R 100.0  8:26.67 bash
 41528 root      3652   4:22.60 bash

(新shell中)再启动一个bash执行while true; do a=a+1;done，将该进程加入到cgroup.procs，使用top命令可以看到3个cpu使用率已经达到100%

top - 25:58 up 30,1)">2.28,1)">1.88,1)">1.18251 total,1)">4 running,1)">247 sleeping,1)"> st
%Cpu3  :547584 used,1)">372900 buff/1382281808 R 100.0  7:29.101808 R  99.7  0.4  11:33.1241593 root      116784   3368   1648 R  0.3   2:30.04 bash

(新shell中)再启动一个bash执行while true; do a=a+1;done，将该进程加入到cgroup.procs，此时有4个进程同时消耗cpu，但总体消耗限制在3个cpu，如下图中，每个bash消耗的cpu约75%

top - 26:49 up 31,1)">2.95,1)">2.12,1)">1.305 running,1)">246 sleeping,1)"> zombie
%Cpu0  : 74.8 us,1)">25.2 id,1)"> st
%Cpu1  :  st
%Cpu2  : 74.2 us,1)">25.8 id,1)"> st
%Cpu3  : 75.7 us,1)">24.3 id,1)">75536 free,1)">547460 used,1)">13835275.7  3:16.7674.8  15.6774.1  12:19.7441654 root      1:41.05 bash

cpu.cfs_quota_us和cpu.cfs_period_us以绝对比例限制cgroup的cpu，而cpu.shares以相对比例限制cgroup的cpu。

在/sys/fs/cgroup/cpu/下创建2个cgroup：test1和test2，设置test1的cpu.shares=50，test2的cpu.shares=200，则意味着test1在cpu竞争下最多可以使用所有cpu的20%，而test2在cpu竞争下最多可以使用所有cpu的80%(不考虑系统基本进程占用)。为方便验证，将系统的cpu设置为1个。创建2个bash进程分别加入2个cgroup后执行while true; do a=a+1;done

 PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
9683 root      80.0  16.77 bash
9629 root      20.0  09.73 bash

使用cpu.shares需要注意的是，对cpu的相对比例是在cpu竞争的条件下，如果一个cgroup使用的相对比例是50%，但实际仅使用了10%，那么多余的cpu会被回收，给其他cgroup使用，参见CPU

当一个 cgroup 中的任务处于闲置状态且不使用任何 CPU 时间时，剩余的时间会被收集到未使用的 CPU 循环全局池中。其它 cgroup 可以从这个池中借用 CPU 循环

下例中test1 cgroup设定50，test2 cgroup设定200，但test1中运行的进程非常消耗cpu，而test2中运行的进程仅使用很小一部分cpu，且sleep操作会导致其进程进入sleep状态

Test1 cgroup
# echo $$
9629
[root@ test1]# cat cpu.shares
50
[root@ test1]# while true; do a=a+1;done

Test2 cgroup
# echo $$
9683
[root@ test2]# cat cpu.shares
200
[root@ test2]# do sleep 1 ;done

查看cpu占用，可以看到test1中的进程占用了99.3%的cpu，而其相对比例为20%

PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+3660   99.3  9:32.48 bash

cpuset subsystem

cpuset主要是为了NUMA(非均匀访问存储模型)使用的，NUMA技术将CPU划分成不同的组（Node)，每个Node由多个CPU组成，并且有独立的本地内存、I/O等资源(硬件上保证)。可以使用numactl查看当前系统的node清空，如下面表示系统只有一个node，含cpu 0-3，内存大小约1G

# numactl -H
available: 1 nodes ()
node 0 cpus: 0 1 2 3
node 0 size: 1023 MB
node 0 free: 70 MB
node distances:
node   0
  0:  10

可以使用dmesg | grep -i numa命令查看当前系统是否开启了numa下·

numa的基本架构如下，当cpu访问直接attach的内存时(local access)时会有较大效率，而访问其他cpu attach的内存(remote access)会导致效率下降。

Numa内存分配策略有一下四种，一般采用默认方式

缺省default:总是在本地节点分配(当前进程运行的节点上)。
绑定bind:强制分配到指定节点上。
交叉interleavel:在所有节点或者指定节点上交叉分配内存。
优先preferred:在指定节点上分配，失败则在其他节点上分配。

numa场景下可能会出现一个性能问题，NUMA架构的CPU，The MySQL “swap insanity” problem and the effects of the NUMA architecture和A brief update on NUMA and MySQL。发生性能的主要原因是因为more策略下可能会发生swap，即总是在本地节点分配内存，当本地内存不足时会发生swap，可以尝试使用如下方式进行

设置numa interleave=all，意味着整个进程的内存是均匀分布在所有的node之上，进程可以以最快的方式访问本地内存
使用mlock方式申请内存，这样这段内存不会使用swap
使用mmap的MAP_POPULATE，预先分配匿名页，后续访问此内存时不会发生缺页
调节系统的vm.swappiness，对于数据库应用服务器，设置为0，可以提高物理内存的使用率，进而提高数据库服务的响应性能

默认方式下，进程总是使用本地节点进程内存分配，可以使用numastat查看内存分配情况

# numastat
                           node0
numa_hit                 6711656
numa_miss                      
numa_foreign                   
interleave_hit             19532
local_node               
other_node                     0

cpuset调用sched_setaffinity来设置进程的cpu亲和性，调用mbind和set_mempolicy来设置内存的亲和性。可以通过查看/proc/$pid/status查看当前进程cpu和mem的亲和性。cpuset使用中应该遵循以下3点

子cpuset的cpu和memory node必须是父cgoup的子集
除非父cgroup标记了exclusive，否则子cgoup无法标记该flag
如果cgroup的cpu或memory标记了exclusive，那么该cgroup的cpu不能与兄弟cgroup有重合，且父子之间必须重合(参见第一条)

如下例中，在/sys/fs/cgroup/cpuset中创建2个cgroup，按照如下步骤，可以看出，当test1和test2有重合时，设置cpuset失败

# rmdir test1
[root@ cpuset]# mkdir test1
[root@ cpuset]# mkdir test2
[root@ cpuset]# echo 1 > test1/cpuset.cpu_exclusive
[root@ cpuset]# echo 1 > test2/0,1)">cpuset.cpus
[root@ cpuset]# echo 1,1)">2 > test2/cpuset.cpus
-bash: echo: write error: Invalid argument
[root@ cpuset]# echo 2 > test2/cpuset.cpus

cpuset.cpu_exclusive：包含标签（0 或者 1），它可以指定：其它 cpuset 及其父、子 cpuset 是否可共享该 cpuset 的特定 CPU。默认情况下（0），CPU 不会专门分配给某个 cpuset 。

上面介绍了设置该标志后兄弟cpuset之间的cpuset.cpus不能有重合，但父子cpuset之间是必须重合的。cpu_exclusive标记并不能实现完全的cpu隔离(不隶属于cgroup管辖的进程默认拥有所有的cpu权限)，如下例中启动了6个消耗cpu的bash进程，仅对其中一个bash进程进行了cpuset的exclusive，可以看到exclusive并不能保证cpu的隔离，只用于保证不于其他兄弟cpuset定义的cpus重叠。核隔离可以使用内核启动参数isolcpus，隔离的cpu不会对其进行负载均衡操作。

Tasks: 243 total,1)">7 running,1)">236 sleeping,1)"> zombie
%Cpu0  :99.7 us,1)">68208 free,1)">654032 used,1)">273656 buff/1928188 free,1)">168960 used.    9238874809 root      116652   3300   1656 R  86.0  27.8674753 root      66.4  57.4174890 root      3304   11.0774081 root      116740   3572   66.1  23.1270206 root      3120   1376 R  62.5  38.8972544 root      3556   1800 R  52.2  57.57 bash

cpuset.memory_spread_page用于设定文件系统缓冲是否应在该 cpuset 的内存节点中均匀分布，cpuset.memory_spread_slab用于设定slab缓冲(如inode和dentries)是否应在该 cpuset 的内存节点中均匀分布，默认否。该策略在将(大的)数据文件分布到多个node时可以提升性能（平均分布）。

cpuset.sched_load_balance和cpuset.sched_relax_domain_level与cpu负载均衡有关。linux使用sched domains(调度域)为单位进行负载均衡。当sched_load_balance设置为enable时，会在该cpuset中的cpu上进行负载均衡，否则不会在该cpuset中的cpu上进行负载均衡(不同cpuset中重叠的cpu上可能也会有负载均衡)。当root cpuset的sched_load_balance为enable时，会在所有的cpu上进行负载均衡，此时会忽略所有子cpuset中对该值的设置，因此只有在root cpuset disable之后，子cpuset才能生效。cpu负载均衡会影响系统性能，在以下两种情况下可以不需要该功能：

大型系统中存在很多cpu，如果对单独进程分配了独立的cpu，此时无需使用cpu负载均衡
实时系统上需要减少cpu的损耗，此时可以不适用负载均衡

cpuset.sched_relax_domain_level表示 kernel 应尝试平衡负载的 CPU 宽度范围，仅当cpuset.sched_load_balance enable时生效。一般无需改动。

cpuset.memory_migrate包含一个标签（0 或者 1），用来指定当 cpuset.mems 的值更改时，是否应该将内存中的页迁移到新节点。

总结：

使用cpu subsystem可以在cpu时间上限制进程，而使用cpuset可以在cpu/mem number上限制进程。但如果cpu和cpuset不匹配时应该如何处理？如下例中，在cpuset中限制该cgroup中的进程只能运行在2号核上，但在cpu中该cgroup的进程最多可以使用2个核

# mkdir cpuset/cpusettest
# mkdir cpu/cputest

# cd cpuset/cpusettest
# echo 0 > cpuset.mems
# echo 2 > cpuset.cpus

# cd cpu/cputest
# echo 1000 > cpu.cfs_period_us
# echo 2000 > cpu.cfs_quota_us

启动3个bash执行while true; do a=a+1;done，并将其pid加入到cpu和cpuset的cgroup.procs中，观察top命令可以看到3个bash进程仅占用了2号核，每个cpu占用率都约等于33%。由此可知，cpu中规定了进程可以使用的cpu的上限，但并不一定能达到上限

%Cpu0  :  68408 free,1)">647088 used,1)">280400 buff/1928444 free,1)">168704 used.    9276833.9  19.0333.2  58.1705.08 bash

TIPS:

在设置cpuset时必须首先设置cpuset.cpus和cpuset.mems，否则可能出现"No space left on device"的错误
可以使用docker inspect DOCKERID来查看该容器挂载的cgroup路径

参考：

sec-cpu

限制cgroup的CPU使用（subsystem之cpu）

numa

cpusets

CFS Bandwidth Control

docker cgroup技术之cpu和cpuset

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