利用 cgroup 的 cpuset 控制器限制进程的 CPU 使用

最近在做一些性能测试的事情，首要前提是控制住 CPU 的使用量。最直观的方法无疑是安装 Docker，在每个配置了参数的容器里运行基准程序。

对于计算密集型任务，在只限制 CPU 的需求下，直接用 Linux 原生的 cgroup 功能来限制 CPU 使用无疑是最方便的。

本文简要说明如何使用 cgroup 的 cpuset 控制器限制进程只使用某几个 CPU，更准确的说是某个几个逻辑核。

1. 查看 CPU 配置

常用的配置可以用如下 BASH 命令查看。

cat /proc/cpuinfo | grep "physical id" | sort | uniq # 查看物理 CPU 数量
cat /proc/cpuinfo | grep "cores" | uniq # 查看每块 CPU 的核心数
cat /proc/cpuinfo | grep "processor" | wc -l # 查看主机总的逻辑线程数

特别地，启用了超线程的话，每个 CPU 物理核心会模拟出 2 个线程，也叫逻辑核。判断方式如下：

是否开启超线程 = 物理 CPU 数量 * 每块 CPU 核心数 / 总逻辑线程数 == 2

2. 什么是 NUMA

这里提到一个概念叫 NUMA，主机板上如果插有多块 CPU 的话，那么就是 NUMA 架构。每块 CPU 独占一块面积，一般都有独立风扇。

一个 NUMA 节点包含了直连在该区域的 CPU、内存等硬件设备，通信总线一般是 PCI-E。由此也引入了 CPU 亲和性的概念，即 CPU 访问同一个 NUMA 节点上的内存的速度大于访问另一个节点的。

执行以下命令，以查看本机的 NUMA 结构。

numactl --harware
# available: 2 nodes (0-1)
# node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
# node 0 size: 127834 MB
# node 0 free: 72415 MB
# node 1 cpus: 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
# node 1 size: 128990 MB
# node 1 free: 68208 MB
# node distances:
# node   0   1
#   0:  10  21
#   1:  21  10

一个 NUMA 节点包括一个内存节点和属于同一块 CPU 的若干个逻辑核，请记住它们的编号，将在配置 cpuset 中用到。

在此解释下“node distance”，访问本节点的内存的通信成本是常量值 10，操作系统以此基准来量化访问其他 NUMA 节点上内存的代价。

3. 创建 cgroup 并配置资源使用

内核版本较高（>=2.6.24）的 Linux 发行版都内置了 cgroup，可以执行以下命令验证一下。

mount | grep cgroup
# tmpfs on /sys/fs/cgroup type tmpfs (ro,nosuid,nodev,noexec,mode=755)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,xattr,release_agent=/lib/systemd/systemd-cgroups-agent,name=systemd)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,blkio)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,freezer)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/pids type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,pids)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpu,cpuacct)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,net_cls,net_prio)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,perf_event)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuset)
# cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,devices)

如果没有的话，也可以执行一段简单的脚本呢，来一次性挂载齐全。

cgroot="${1:-/sys/fs/cgroup}"
subsys="${2:-blkio cpu cpuacct cpuset devices freezer memory net_cls net_prio ns perf_event}"
mount -t tmpfs cgroup_root "${cgroot}"
for ss in $subsys; do
  mkdir -p "$cgroot/$ss"
  mount -t cgroup -o "$ss" "$ss" "$cgroot/$ss"
done

cgroup 针对每一种资源都提供了相应的控制器来进行配置，在 Linux 中以文件系统的形式呈现。本文只涉及进程在物理核上的放置，因此来看一下 cpuset 目录下有什么。

mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/tiger # 创建一个控制组，删除用 rmdir 命令
ls /sys/fs/cgroup/cpuset/tiger
# cgroup.clone_children  cpuset.memory_pressure
# cgroup.procs           cpuset.memory_spread_page
# cpuset.cpu_exclusive   cpuset.memory_spread_slab
# cpuset.cpus            cpuset.mems
# cpuset.effective_cpus  cpuset.sched_load_balance
# cpuset.effective_mems  cpuset.sched_relax_domain_level
# cpuset.mem_exclusive   notify_on_release
# cpuset.mem_hardwall    tasks
# cpuset.memory_migrate

如果要使用 cpuset 控制器，需要同时配置 cpuset.cpus 和 cpuset.mems 两个文件（参数）。这两个文件接受用短横线和逗号表示的区间，如“0-7,16-23”。如果对应的资源不存在，那么写入的时候会报错。

不建议直接在控制器的根目录下配置，通过创建子目录的形式可以同时维持多个控制器。执行如下命令，限制 tiger 控制组下所有进程只能使用逻辑核0和1。

echo "0-1" > /sys/fs/cgroup/cpuset/tiger/cpuset.cpus
echo 0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/tiger/cpuset.mems

对于 cpuset.mems 参数而言，每个内存节点和 NUMA 节点一一对应。如果进程的内存需求量较大，可以把所有的 NUMA 节点都配置进去。这里就用到了 NUMA 的概念。出于性能的考虑，配置的逻辑核和内存节点一般属于同一个 NUMA 节点，可用“numactl --hardware”命令获知它们的映射关系。

4. 验证效果

在 cpuset 的所有配置文件中，tasks 和 cgroups.procs 是用来管理控制组中的进程的。执行以下命令，把当前会话加入刚刚创建的控制组里，本会话发起的所有命令（子进程）都会收到 cpu 使用的约束。

echo $$ > /sys/fs/cgroup/cpuset/tiger/cgroup.procs # 写入当前进程编号

两个配置项基本是等价的，但有一小点不同。操作系统以线程为调度单位，将一个一般的 pid 写入到 tasks 中，只有这个 pid 对应的线程，以及由它产生的其他进程、线程会属于这个控制组。而把 pid 写入 cgroups.procs，操作系统则会把找到其所属进程的所有线程，把它们统统加入到当前控制组。

进程在加入一个控制组后，控制组所对应的限制会即时生效。启动一个计算密集型的任务，申请用 4 个逻辑核。

stress -c 4 &
# [1] 2958521
# stress: info: [2958521] dispatching hogs: 4 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd

观察 CPU 的使用情况来验证效果，只有编号为 0 和 1 的两个逻辑核在工作，用户态的比例高达 100%。

top # 在列表页按数字 1 键，切换到 CPU 看板
# Tasks: 706 total,   3 running, 702 sleeping,   0 stopped,   1 zombie
# %Cpu0  :100.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
# %Cpu1  :100.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
# %Cpu2  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,100.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
# %Cpu3  :  0.0 us,  1.7 sy,  0.0 ni, 98.3 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st