深入理解 Linux Cgroup 系列（二）：玩转 CPU

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上篇文章主要介绍了 cgroup 的一些基本概念，包括其在 CentOS 系统中的默认设置和控制工具，并以 CPU 为例阐述 cgroup 如何对资源进行控制。这篇文章将会通过具体的示例来演示如何通过 cgroup 来限制 CPU 的使用以及不同的 cgroup 设置对性能的影响。

1. 查看当前 cgroup 信息

有两种方法来查看系统的当前 cgroup 信息。第一种方法是通过 systemd-cgls 命令来查看，它会返回系统的整体 cgroup 层级，cgroup 树的最高层由 slice 构成，如下所示：

$ systemd-cgls --no-page
├─1 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 22
├─user.slice
│ ├─user-1000.slice
│ │ └─session-11.scope
│ │   ├─9507 sshd: tom [priv]
│ │   ├─9509 sshd: tom@pts/3
│ │   └─9510 -bash
│ └─user-0.slice
│   └─session-1.scope
│     ├─ 6239 sshd: root@pts/0
│     ├─ 6241 -zsh
│     └─11537 systemd-cgls --no-page
└─system.slice
  ├─rsyslog.service
  │ └─5831 /usr/sbin/rsyslogd -n
  ├─sshd.service
  │ └─5828 /usr/sbin/sshd -D
  ├─tuned.service
  │ └─5827 /usr/bin/python2 -Es /usr/sbin/tuned -l -P
  ├─crond.service
  │ └─5546 /usr/sbin/crond -n

可以看到系统 cgroup 层级的最高层由 user.slice 和 system.slice 组成。因为系统中没有运行虚拟机和容器，所以没有 machine.slice，所以当 CPU 繁忙时，user.slice 和 system.slice 会各获得 50% 的 CPU 使用时间。

user.slice 下面有两个子 slice：user-1000.slice 和 user-0.slice，每个子 slice 都用 User ID (UID) 来命名，因此我们很容易识别出哪个 slice 属于哪个用户。例如：从上面的输出信息中可以看出 user-1000.slice 属于用户 tom，user-0.slice 属于用户 root。

systemd-cgls 命令提供的只是 cgroup 层级的静态信息快照，要想查看 cgroup 层级的动态信息，可以通过 systemd-cgtop 命令查看：

$ systemd-cgtop
Path                                                                                                                                       Tasks   %CPU   Memory  Input/s Output/s

/                                                                                                                                            161    1.2   161.0M        -        -
/system.slice                                                                                                                                  -    0.1        -        -        -
/system.slice/vmtoolsd.service                                                                                                                 1    0.1        -        -        -
/system.slice/tuned.service                                                                                                                    1    0.0        -        -        -
/system.slice/rsyslog.service                                                                                                                  1    0.0        -        -        -
/system.slice/auditd.service                                                                                                                   1      -        -        -        -
/system.slice/chronyd.service                                                                                                                  1      -        -        -        -
/system.slice/crond.service                                                                                                                    1      -        -        -        -
/system.slice/dbus.service                                                                                                                     1      -        -        -        -
/system.slice/gssproxy.service                                                                                                                 1      -        -        -        -
/system.slice/lvm2-lvmetad.service                                                                                                             1      -        -        -        -
/system.slice/network.service                                                                                                                  1      -        -        -        -
/system.slice/polkit.service                                                                                                                   1      -        -        -        -
/system.slice/rpcbind.service                                                                                                                  1      -        -        -        -
/system.slice/sshd.service                                                                                                                     1      -        -        -        -
/system.slice/system-getty.slice/[e-mail]                                                                                            1      -        -        -        -
/system.slice/systemd-journald.service                                                                                                         1      -        -        -        -
/system.slice/systemd-logind.service                                                                                                           1      -        -        -        -
/system.slice/systemd-udevd.service                                                                                                            1      -        -        -        -
/system.slice/vgauthd.service                                                                                                                  1      -        -        -        -
/user.slice                                                                                                                                    3      -        -        -        -
/user.slice/user-0.slice/session-1.scope                                                                                                       3      -        -        -        -
/user.slice/user-1000.slice                                                                                                                    3      -        -        -        -
/user.slice/user-1000.slice/session-11.scope                                                                                                   3      -        -        -        -
/user.slice/user-1001.slice/session-8.scope                                                                                                    3      -        -        -        -

systemd-cgtop 提供的统计数据和控制选项与 top 命令类似，但该命令只显示那些开启了资源统计功能的 service 和 slice。比如：如果你想开启 sshd.service 的资源统计功能，可以进行如下操作：

$ systemctl set-property sshd.service CPUAccounting=true MemoryAccounting=true

该命令会在 /etc/systemd/system/sshd.service.d/ 目录下创建相应的配置文件：

$ ll /etc/systemd/system/sshd.service.d/
总用量 8
4 -rw-r--r-- 1 root root 28 5月  31 02:24 50-CPUAccounting.conf
4 -rw-r--r-- 1 root root 31 5月  31 02:24 50-MemoryAccounting.conf

$ cat /etc/systemd/system/sshd.service.d/50-CPUAccounting.conf
[Service]
CPUAccounting=yes

$ cat /etc/systemd/system/sshd.service.d/50-MemoryAccounting.conf
[Service]
MemoryAccounting=yes

配置完成之后，再重启 sshd 服务：

$ systemctl daemon-reload
$ systemctl restart sshd

这时再重新运行 systemd-cgtop 命令，就能看到 sshd 的资源使用统计了：

{{% notice note %}}
开启资源使用量统计功能可能会增加系统的负载，因为资源统计也要消耗 CPU 和内存，大多数情况下使用 top 命令来查看就足够了。当然了，这是 Linux 系统嘛，一切的控制权都在你自己手里，你想怎么做就怎么做。
{{% /notice %}}

2. 分配 CPU 相对使用时间

通过上篇文章的学习我们知道了 CPU shares 可以用来设置 CPU 的相对使用时间，接下来我们就通过实践来验证一下。

{{% notice note %}}
下面所做的实验都是在单核 CPU 的系统上进行的，多核与单核的情况完全不同，文末会单独讨论。
{{% /notice %}}

测试对象是 1 个 service 和两个普通用户，其中用户 tom 的 UID 是 1000，可以通过以下命令查看：

$ cat /etc/passwd|grep tom
tom:x:1000:1000::/home/tom:/bin/bash

创建一个 foo.service：

$ cat /etc/systemd/system/foo.service
[Unit]
Description=The foo service that does nothing useful
After=remote-fs.target nss-lookup.target

[Service]
ExecStart=/usr/bin/sha1sum /dev/zero
ExecStop=/bin/kill -WINCH ${MAINPID}

[Install]
WantedBy=multi-user.target

/dev/zero 在 linux 系统中是一个特殊的设备文件，当你读它的时候，它会提供无限的空字符，因此 foo.service 会不断地消耗 CPU 资源。现在我们将 foo.service 的 CPU shares 改为 2048：

$ mkdir /etc/systemd/system/foo.service.d
$ cat << EOF > /etc/systemd/system/foo.service.d/50-CPUShares.conf
[Service]
CPUShares=2048
EOF

由于系统默认的 CPU shares 值为 1024，所以设置成 2048 后，在 CPU 繁忙的情况下，foo.service 会尽可能获取 system.slice 的所有 CPU 使用时间。

现在通过 systemctl start foo.service 启动 foo 服务，并使用 top 命令查看 CPU 使用情况：

目前没有其他进程在消耗 CPU，所以 foo.service 可以使用几乎 100% 的 CPU。

现在我们让用户 tom 也参与进来，先将 user-1000.slice 的 CPU shares 设置为 256：

$ systemctl set-property user-1000.slice CPUShares=256

使用用户 tom 登录该系统，然后执行命令 sha1sum /dev/zero，再次查看 CPU 使用情况：

现在是不是感到有点迷惑了？foo.service 的 CPU shares 是 2048，而用户 tom 的 CPU shares 只有 256，难道用户 tom 不是应该只能使用 10% 的 CPU 吗？回忆一下我在上一节提到的，当 CPU 繁忙时，user.slice 和 system.slice 会各获得 50% 的 CPU 使用时间。而这里恰好就是这种场景，同时 user.slice 下面只有 sha1sum 进程比较繁忙，所以会获得 50% 的 CPU 使用时间。

最后让用户 jack 也参与进来，他的 CPU shares 是默认值 1024。使用用户 jack 登录该系统，然后执行命令 sha1sum /dev/zero，再次查看 CPU 使用情况：

上面我们已经提到，这种场景下 user.slice 和 system.slice 会各获得 50% 的 CPU 使用时间。用户 tom 的 CPU shares 是 256，而用户 jack 的 CPU shares 是 1024，因此用户 jack 获得的 CPU 使用时间是用户 tom 的 4 倍。

3. 分配 CPU 绝对使用时间

上篇文章已经提到，如果想严格控制 CPU 资源，设置 CPU 资源的使用上限，即不管 CPU 是否繁忙，对 CPU 资源的使用都不能超过这个上限，可以通过 CPUQuota 参数来设置。下面我们将用户 tom 的 CPUQuota 设置为 5%：

$ systemctl set-property user-1000.slice CPUQuota=5%

这时你会看到用户 tom 的 sha1sum 进程只能获得 5% 左右的 CPU 使用时间。

如果此时停止 foo.service，关闭用户 jack 的 sha1sum 进程，你会看到用户 tom 的 sha1sum 进程仍然只能获得 5% 左右的 CPU 使用时间。

如果某个非核心服务很消耗 CPU 资源，你可以通过这种方法来严格限制它对 CPU 资源的使用，防止对系统中其他重要的服务产生影响。

4. 动态设置 cgroup

cgroup 相关的所有操作都是基于内核中的 cgroup virtual filesystem，使用 cgroup 很简单，挂载这个文件系统就可以了。系统默认情况下都是挂载到 /sys/fs/cgroup 目录下，当 service 启动时，会将自己的 cgroup 挂载到这个目录下的子目录。以 foo.service 为例：

先进入 system.slice 的 CPU 子系统：

$ cd /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/system.slice

查看 foo.service 的 cgroup 目录：

$ ls foo.*
zsh: no matches found: foo.*

因为 foo.service 没有启动，所以没有挂载 cgroup 目录，现在启动 foo.service，再次查看它的 cgroup 目录：

$ ls foo.serice
cgroup.clone_children  cgroup.procs  cpuacct.usage         cpu.cfs_period_us  cpu.rt_period_us   cpu.shares  notify_on_release
cgroup.event_control   cpuacct.stat  cpuacct.usage_percpu  cpu.cfs_quota_us   cpu.rt_runtime_us  cpu.stat    tasks

也可以查看它的 PID 和 CPU shares：

$ cat foo.service/tasks
20225

$ cat foo.service/cpu.shares
2048

{{% notice note %}}
理论上我们可以在 /sys/fs/cgroup 目录中动态改变 cgroup 的配置，但我不建议你在生产环境中这么做。如果你想通过实验来深入理解 cgroup，可以多折腾折腾这个目录。
{{% /notice %}}

5. 如果是多核 CPU 呢？

上面的所有实验都是在单核 CPU 上进行的，下面我们简单讨论一下多核的场景，以 2 个 CPU 为例。

首先来说一下 CPU shares，shares 只能针对单核 CPU 进行设置，也就是说，无论你的 shares 值有多大，该 cgroup 最多只能获得 100% 的 CPU 使用时间（即 1 核 CPU）。还是用本文第 2 节的例子，将 foo.service 的 CPU shares 设置为 2048，启动 foo.service，这时你会看到 foo.service 仅仅获得了 100% 的 CPU 使用时间，并没有完全使用两个 CPU 核：

再使用用户 tom 登录系统，执行命令 sha1sum /dev/zero，你会发现用户 tom 的 sha1sum 进程和 foo.service 各使用 1 个 CPU 核：

再来说说 CPUQuota，这个上篇文章结尾已经提过了，如要让一个 cgroup 完全使用两个 CPU 核，可以通过 CPUQuota 参数来设置。例如：

$ systemctl set-property foo.service CPUQuota=200%

至于进程最后能不能完全使用两个 CPU 核，就要看它自身的设计支持不支持了。

6. 总结

本文通过具体的示例来观察不同的 cgroup 设置对性能的影响，下面一篇文章将会演示如何通过 cgroup 来限制内存的使用。