05｜容器CPU（1）：怎么限制容器的CPU使用？【request、limit】

本文主要是介绍05｜容器CPU（1）：怎么限制容器的CPU使用？【request、limit】，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

从这一将开始，我们进入容器CPU这个模块。

容器在Linux系统中最核心的两个概念是 Namespace 和 Cgroups。 通过Cgroups 技术限制资源，可以分为很多类型，比如 CPU、Memory、Storage、Network等等。

今天说下如何限制容器的CPU 使用。
我们拿Kubernetes平台做例子，具体来看下面这个pod/container里的spec定义，在CPU资源相关的定义中有两项内容，分别是Request CPU和Limit CPU。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: frontend
spec:containers:- name: appimage: images.my-company.example/app:v4env:resources:requests:	#请求资源，cpu.sharesmemory: "64Mi"cpu: "1"limits:	#限制资源，cpu.cfs_quota_usmemory: "128Mi"cpu: "2"
…

上面Pod Spec 里的 Request CPU和Limit CPU的值，最后会通过 CPU Cgroup 的配置，来实现控制容器CPU 资源的作用。

那接下来我会先从进程的CPU使用讲起，然后带你在CPU Cgoup子系统中建立几个控制组，用这个例子为你讲解 CPU Cgroup 中三个重要的参数：

• cpu.cfs_quota_us
• cpu.cfs_period_us
• cpu.shares
  
  
  

一、如何理解CPU使用和CPU Cgroup

CPU Cgroup最大的作用就是限制CPU使用

1.1 CPU 使用的分类

使用top命令，注意下图"%Cpu(s)"开头的这一行：

下面开始解释： 上图中的上半部分是用户态（user space）下半部分是内核态（kernel space），假设只有一个CPU。

【us】
当用户程序开始运行时，对应着第一个 ‘us’ 框，‘us’ 是 user 的缩写，代表 Linux 的用户态 CPU Usage，普通用户程序代码中，只要不是调用系统调用（System Call），这些代码指令消耗的CPU 都属于‘us’。

【sy】
当这个用户程序代码中调用了系统调用，比如说 read()去读取一个文件，这个时候用户进程就会从用户态切换到内核态。

内核态read()系统调用在读到真正 disk 上的文件前，就会进行一些文件系统层的操作，那么这些代码指令的消耗就属于‘sy’，这里就对应上面图中的第二个框 ’sy‘ 是 system的缩写，代表内核态CPU 使用。

【wa】
然后 read()系统调用会向Linux 的Block Layer 发出一个 I/O Request，触发一个真正的磁盘读取操作。

这个时候进程一般会被置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE，Linux会把这段时间标示为 wa，对应图中第三个框，wa 是 iowait 的缩写，代表等待Disk I/O 的时间。

【sy】
当磁盘返回数据时，进程在内核态拿到数据，这里仍然是内核态的CPU 使用的"sy"，也就是图中的第四个框。

【us】
然后进程再从内核态切换回用户态，在内核态得到文件数据，这里进程又回到用户态的使用 us，对应图中的第五个框。

【id】
假设到这，进程就没事做了，CPU上也没有其他的进程需要运行。 系统就会进入到 id 这个步骤，也就是第六个框，id是 idle 的缩写。 代表系统处于空闲状态。

【hi】
如果这个时候机器的网络收到一个网络数据包，网卡就会发出一个中断（interrupt），响应的，CPU 会中断响应，然后进入中断服务程序。

这时 CPU 就会进入hi ，hi 是 hardware irq 的缩写，代表 CPU 处理硬中断的开销，由于中断服务处理需要关闭中断，所以这个硬中断不能时间太长。

【si】
中断后的工作必须要完成的，如果这些工作比较耗时怎么办呢？ Linux 中有一个软中断的概念（softirq） ，它可以完成这些耗时比较长的工作。

软中断：从网卡收到数据包的大部分工作，都是通过软中断来处理的。
CPU 会进入到第八个框，si， 这里的si 是softirq的缩写，代表CPU 处理软中断的开销。

hi，si 本身处理的时候不属于任何一个进程，它们的CPU 时间都不会进入到进程的CPU 时间。

• PRI ：进程优先权，代表这个进程可被执行的优先级，其值越小，优先级就越高，越早被执行；
• NI ：进程Nice值，代表这个进程的优先值；
• %nice ：改变过优先级的进程的占用CPU的百分比；

PRI是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。

【ni】
那NI呢？就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值。如前面所说，PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new) = PRI(old) + nice。由此看出，PRI是根据NICE排序的，规则是NICE越小PR越前（小，优先权更大），即其优先级会变高，则其越快被执行。如果NICE相同则进程uid是root的优先权更大。

【st】
另外一个是st，st 是steal的缩写。是虚拟机里用的一个CPU 使用类型，表示有多少时间是被同一个宿主机上的其他虚拟机抢走的。

1.2 CPU Cgroup

Cgroups 是对指定进程做计算机资源限制的，CPU Cgroup 是Cgroups 其中的一个 Cgroups 子系统，它是用来限制进程的CPU 使用的。

cpu包括：

• 用户态：us 和 ni
• 内核态：sy

wa，hi，si 这些 I/O 或者中断相关的CPU 使用，CPU Cgroup 不会去做限制。

每个Cgroups 子系统都是通过一个虚拟文件系统挂载点的方式，挂到一个缺省的目录下，CPU Cgroup 一般在Linux 发行版里会放在 /sys/fs/cgroup/cpu 这个目录下。

在这个子系统的目录下，每个控制组（Control Group）都是一个子目录，各个控制组之间的关系就是一个树状的层级关系（hierarchy）

例如下图，每个group 就是一个控制组

自己创建一个目录 suhan1 控制组里面的内容如下，

    [root@hx19-dev01 suhan1]# pwd/sys/fs/cgroup/cpu/suhan1[root@hx19-dev01 suhan1]# ls -l总用量 0-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cgroup.clone_children--w--w--w-. 1 root root 0 6月  25 10:20 cgroup.event_control-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cgroup.procs-r--r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpuacct.stat-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpuacct.usage-r--r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpuacct.usage_percpu-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpu.cfs_period_us-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpu.cfs_quota_us-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpu.rt_period_us-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpu.rt_runtime_us-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpu.shares-r--r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 cpu.stat-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 notify_on_release-rw-r--r--. 1 root root 0 6月  25 10:20 tasks

在云平台里，大部分程序都不是实时调度进程，而是普通调度（SCHED_NORMAL） 类型进程，那什么是普通类型进程呢。

目前Linux中的普通调度的算法是 CFS（Complete Fair Scheduler 即完全公平调度器），直接看CPU Cgroup 和CFS相关的参数，一共有三个。

• cpu.cfs_period_us【固定值】：它是CFS算法的一个调度周期，一般值是 100000十万，单位是微秒，就是 100ms

• cpu.cfs_quota_us【实际值】：它表示CFS算法中，在一个调度周期里这个控制组被允许的运行时间，比如这个值为 50000时，就是 50ms。
  如果用这个值除以调度周期（cpu.cfs_period_us）50ms/100ms=0.5，表示这个控制组被允许使用的CPU最大配额就是0.5个CPU
  是一个绝对值，如果这个值是200000，也就是200ms，那么它除以 period，也就是 200ms/100ms=2，超过了1 ，表示这个控制组需要2个CPU的资源

• cpu.shares【1024比例】：表示 CPU Cgroup 对于控制组之间的CPU 分配比例，缺省值是1024

  例如：
  group3 中的cpu.shares 是1024，group4 中的 cpu.shares 是 3072，那么 group3:group4 = 1:3

  比例说明什么呢：
  在一台4个CPU 的机器上，当 group3 和 group4 都需要4个CPU的时候，它们实际分配到的CPU 分别是，group3是1个，group4是3个。

实际操作举例如下：

在一台4个CPU的机器上，按照上面的cpu.shares 比例，实际分配的情况是 group3 是1个，group4是3个。

示例代码链接，下载到本地后操作：

    # 运行初始化的脚本：生成几个group文件夹，编译.c文件生成可执行文件$ bash training-main/cpu/cgroup_cpu/create_groups.sh

1.2.1 cpu.cfs_quota_us 示例

启动一个消耗2个CPU(200%) 的程序 threads-cpu，然后把这个pid加到group3的控制组里，命令如下：

$ ./training-main/cpu/cgroup_cpu/threads-cpu/threads-cpu 2 & echo $! > /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group3/cgroup.procs

在没有修改 cpu.cfs_quota_us（实际值） 前，用top 命令可以查看到刚才启动的 threads-cpu 进程的cpu使用率如下图：
我的测试机器是8个CPU的

然后把这个控制组中的 cpu.cfs_quota_us 设置为 150000（150ms） ，这个值除以 cpu.cfs_period_us
即 150ms/100ms = 1.5 表示1.5个CPU ，同时把 cpu.shares 设置为 1024

    echo 150000 > /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group3/cpu.cfs_quota_usecho 1024 > /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group3/cpu.shares

这个时候再运行 top，会发现 threads-cpu 进程的CPU 使用减少到了 150%。
这个就是因为cpu.cfs_quota_us起了作用，限制了进程CPU的绝对值

但是 cpu.shares在这里插入代码片 的作用还没发挥出来，因为它是控制各个控制组之间的CPU的比例
而且一定要到整个节点中的CPU 都跑满的时候它才能发挥作用

1.2.2 cpu.shares 示例

下面理解下 cpu.shares
按照上面的设置好 group3 中的 cpu.cfs_quota_us 和 cpu.shares；
然后启动第二个程序，设置好 group4 里面的 cpu.cfs_quota_us 和 cpu.shares；

专栏中的测试机器是 4C 的，我这里使用的是 12C 的。

#group3中，启动一个占用4C的进程，并把 pid 写入到 group3 控制组里
$ ./threads-cpu/threads-cpu 6 &echo $! > /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group3/cgroup.procs #group3 中设置好如下参数
$ cat /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group3/cpu.cfs_quota_us 450000
$ cat /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group3/cpu.shares       1024#group4中，启动一个占用8C的进程，并把pid写入到group4控制组里
$ ./threads-cpu/threads-cpu 12 &echo $! > /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group4/cgroup.procs   #group4 中设置好如下参数
$ echo 1050000 > /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group4/cpu.cfs_quota_us
$ echo 3072 > /sys/fs/cgroup/cpu/group2/group4/cpu.shares

说明：  
group3 启动6C，group4启动12C，把机器CPU跑满了；
group3 限制4.5C，group4限制10.5C；
group3:group4 的 shares值是 1:3按理说top 显示CPU 实际使用率应该是 1:3的。  
我实际下来 和专栏里说的不一样。先放在这吧。  

梳理：

• cpu.cfs_quota_us 和 cpu.cfs_period_us 这两个值决定了每个控制组中所有进程的可使用CPU资源的最大值；
• cpu.shares 决定了CPU Cgroup 子系统下控制组可用CPU的相对比例。只有当系统上CPU完全被占满的时候，这个比例才会在各个控制组间起作用；
  
  

1.3 现象解释

首先 kubernetes 为每个容器都在 CPU Cgroup 的子系统中建立一个控制组，然后把容器中进程写入到这个控制组中。

（1）Limit CPU 是容器可用的上限值：
容器CPU的上限值是由 cpu.cfs_quota_us 除以 cpu.cfs_period_us 得出的值决定的操作系统中 cpu.cfs_period_us 的值一般是个固定值，k8s不会去修改它，所以只修改 cpu.cfs_quota_us

（2）Request CPU ：
整个节点CPU都占满的情况，容器可以保证的需要的CPU数目。
是靠 cpu.shares 这个参数在CPU Cgroup中 cpu.shares == 1024 表示1个CPU的比例，那么request CPU的值就是n，给 cpu.shares 的赋值对应就是 n*1024

1.4 重点总结

每个进程的CPU Usage 只包含了用户态(us 或 ni) 和 内核态（sy）两部分，其他的系统CPU开销并不包含在进程的CPU使用中，而 CPU Cgroup 只是对进程的CPU 使用做了限制


CPU Cgroup中的三个参数：

• cpu.cfs_quota_us：（一个调度周期里这个控制组被允许的运行时间） 除以 cpu.cfs_period_us
  （调度周期）得到的值决定了 CPU Cgroup 每个控制组中CPU 使用的上限值。
• cpu.shares：决定了CPU Cgroup 子系统下控制组可用CPU的相对比例，当系统上CPU 完全被占满的时候，这个比例才会在各个控制组间起效。
• Limit CPU 就是容器所在 Cgroup 控制组中的CPU 上限值（cpu.cfs_quota_us），Request CPU 的值就是控制组中的 cpu.shares 的值。
  
  

二、评论

问题1：
为什么说“云平台里呢，大部分程序都不是实时调度的进程，而是普通调度（SCHED_NORMAL）类型进程”？这块不是很明白
回答1：
进程如果设置为SCHED_FIFO 或者SCHED_RR实时调度类型，那么只要进程任务不结束，就不会把cpu资源让给SCHED_NORMAL进程。这种实时的进程，在实时性要比较高的嵌入式系统中会用到，但是云平台中提供互联网服务的应用中不太会去用实时调度。

回答2：
cpu.shares是个相对值，但是在Linux节点上一般的约定是以值1024为1个CPU的比例，当所有的配置都遵守这个约定的时候，那么给值N*1024, 就表示N个CPU的数量了。

回答3：
一般对于容器，是一个cgroup控制组里限制容器中的所有进程。

回答4：
网络I/O 没有wa状态部分。
hi/si 对于磁盘都是有的。

回答5：
cpu.cfs_quota_us 取值为 -1 表示不限制。

问题6：
有个疑问：假设给容器配置了 1.5 的 CPU，而宿主机上只有 1 个 CPU，其实现在来说配置多少个 CPU 应该指的使用多少的 CPU 的时间对吗？（ 而非简单地分配物理 CPU ）
回答6：
是的，这是一个调度时间的分配，而不是把物理cpu 分配给容器的进程。
对于你说的这种情况，就是不限制cpu的使用时间了。

三、课程疑问

makefile 定义了一系列的规则来指定，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更复杂的功能操作，因为 makefile就像一个Shell脚本一样，其中也可以执行操作系统的命令。

make是一个命令工具，是一个解释makefile中指令的命令工具

用gcc编译使用了POSIX thread的程序时通常需要加额外的选项，以链接到库。
此处直接加上-lpthread选项。
gcc xxx.c -o xxx -lpthread

这篇关于05｜容器CPU（1）：怎么限制容器的CPU使用？【request、limit】的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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