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分类: LINUX

原文地址:进程的处理器亲和性和vCPU的绑定 作者:heart2011

http://smilejay.com/2012/08/kvm-vcpu-binding/
通常情况下,在SMP系统中,Linux内核的进程调度器根据自有的调度策略将系统中的一个进程调度到某个CPU上执行。一个进程在前一个执行时间是在cpuM(M为系统中的某CPU的ID)上运行,而在后一个执行时间是在cpuN(N为系统中另一CPU的ID)上运行。这样的情况在Linux中是很可能发生的,因为Linux对进程执行的调度采用时间片法则(即进行用完自己的时间片即被暂停执行),而默认情况下,一个普通进程或线程的处理器亲和性是在所有可用的CPU上,有可能在它们之中的任何一个CPU(包括超线程)上执行。

进程的处理器亲和性(Processor Affinity),即是CPU的绑定设置,是指将进程绑定到特定的一个或多个CPU上去执行,而不允许调度到其他的CPU上。Linux内核对进程的调度算法也是遵守进程的处理器亲和性设置的。设置进程的处理器亲和性带来的好处是可以减少进程在多个CPU之间交换运行带来的缓存命中失效(cache missing),从该进程运行的角度来看,可能带来一定程度上的性能提升。换个角度来看,对进程亲和性的设置也可能带来一定的问题,如破坏了原有SMP系统中各个CPU的负载均衡(load balance),这可能会导致整个系统的进程调度变得低效。特别是在多处理器、多核、多线程技术使用的情况下,在NUMA(Non-Uniform Memory Access)[3]结构的系统中,如果不能基于对系统的CPU、内存等有深入的了解,对进程的处理器亲和性进行设置是可能导致系统的整体性能的下降而非提升。

每个vCPU都是宿主机中的一个普通的QEMU线程,可以使用taskset工具对其设置处理器亲和性,使其绑定到某一个或几个固定的CPU上去调度。尽管Linux内核的进程调度算法已经非常高效了,在多数情况下不需要对进程的调度进行干预,不过,在虚拟化环境中有时却有必要对客户机的QEMU进程或线程绑定到固定的逻辑CPU上。下面举一个云计算应用中需要绑定vCPU的实例。

作为IAAS(Infrastructure As A Service)类型的云计算提供商的A公司(如Amazon、Google、阿里云、盛大云等),为客户提供一个有2个逻辑CPU计算能力的一个客户机。要求CPU资源独立被占用,不受宿主机中其他客户机的负载水平的影响。为了满足这个需求,可以分为如下两个步骤来实现。

第一步,启动宿主机时隔离出两个逻辑CPU专门供一个客户机使用。在Linux内核启动的命令行加上“isolcpus=”参数,可以实现CPU的隔离,让系统启动后普通进程默认都不会调度到被隔离的CPU上执行。例如,隔离了cpu2和cpu3的grub的配置文件如下:

title Red Hat Enterprise Linux Server (3.5.0)

root (hd0,0)

kernel /boot/vmlinuz-3.5.0 ro root=UUID=1a65b4bb-cd9b-4bbf-97ff-7e1f7698d3db isolcpus=2,3

initrd /boot/initramfs-3.5.0.img

系统启动后,在宿主机中检查是否隔离成功,命令行如下:

[root@jay-linux ~]# ps -eLo psr | grep 0 | wc -l

106

[root@jay-linux ~]# ps -eLo psr | grep 1 | wc -l

107

[root@jay-linux ~]# ps -eLo psr | grep 2 | wc -l

4

[root@jay-linux ~]# ps -eLo psr | grep 3 | wc -l

4

[root@jay-linux ~]# ps -eLo ruser,pid,ppid,lwp,psr,args | awk ‘{if($5==2) print $0}’

root        10     2    10   2 [migration/2]

root        11     2    11   2 [kworker/2:0]

root        12     2    12   2 [ksoftirqd/2]

root       245     2   245   2 [kworker/2:1]

[root@jay-linux ~]# ps –eLo ruser,pid,ppid,lwp,psr,args | awk ‘{if($5==3) print $0}’

root        13     2    13   3 [migration/3]

root        14     2    14   3 [kworker/3:0]

root        15     2    15   3 [ksoftirqd/3]

root       246     2   246   3 [kworker/3:1]

从上面的命令行输出信息可知,cpu0和cpu1上分别有106和107个线程在运行,而cpu2和cpu3上都分别只有4个线程在运行。而且,根据输出信息中cpu2和cpu3上运行的线程信息(也包括进程在内),分别有migration进程(用于进程在不同CPU间迁移)、两个kworker进程(用于处理workqueues)、ksoftirqd进程(用于调度CPU软中断的进程),这些进程都是内核对各个CPU的一些守护进程,而没有其他的普通进程在cup2和cpu3上运行,说明对其的隔离是生效的。

另外,简单解释一下上面的一些命令行工具及其参数的意义。ps命令显示当前系统的进程信息的状态,它的“-e”参数用于显示所有的进程,“-L”参数用于将线程(LWP,light-weight process)也显示出来,“-o”参数表示以用户自定义的格式输出(其中“psr”这列表示当前分配给进程运行的处理器编号,“lwp”列表示线程的ID,“ruser”表示运行进程的用户,“pid”表示进程的ID,“ppid”表示父进程的ID,“args”表示运行的命令及其参数)。结合ps和awk工具的使用,是为了分别将在处理器cpu2和cpu3上运行的进程打印出来。

第二步,启动一个拥有2个vCPU的客户机并将其vCPU绑定到宿主机中两个CPU上。此操作过程的命令行如下:

#(启动一个客户机)

[root@jay-linux kvm_demo]# qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

VNC server running on ‘::1:5900’

 

#(查看代表vCPU的QEMU线程)

[root@jay-linux ~]# ps -eLo ruser,pid,ppid,lwp,psr,args | grep qemu | grep -v grep

root      3963     1  3963   0 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

root      3963     1  3967   0 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

root      3963     1  3968   1 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 –daemonize

 

#(绑定代表整个客户机的QEMU进程,使其运行在cpu2上)

[root@jay-linux ~]# taskset -p 0×4 3963

pid 3963′s current affinity mask: 3

pid 3963′s new affinity mask: 4

#(绑定第一个vCPU的线程,使其运行在cpu2上)

[root@jay-linux ~]# taskset -p 0×4 3967

pid 3967′s current affinity mask: 3

pid 3967′s new affinity mask: 4

#(绑定第二个vCPU的线程,使其运行在cpu3上)

[root@jay-linux ~]# taskset -p 0×8 3968

pid 3968′s current affinity mask: 4

pid 3968′s new affinity mask: 8

 

#(查看QEMU线程的绑定是否生效,如下的第5列为处理器亲和性)

[root@jay-linux ~]# ps -eLo ruser,pid,ppid,lwp,psr,args | grep qemu | grep -v grep

root      3963     1  3963   2 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

root      3963     1  3967   2 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

root      3963     1  3968   3 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 –daemonize

#(执行vCPU的绑定后,查看在cpu2上运行的线程)

[root@jay-linux ~]# ps -eLo ruser,pid,ppid,lwp,psr,args | awk ‘{if($5==2) print $0}’

root        10     2    10   2 [migration/2]

root        11     2    11   2 [kworker/2:0]

root        12     2    12   2 [ksoftirqd/2]

root       245     2   245   2 [kworker/2:1]

root      3963     1  3963   2 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

root      3963     1  3967   2 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

#(执行vCPU的绑定后,查看在cpu3上运行的线程)

[root@jay-linux ~]# ps –eLo ruser,pid,ppid,lwp,psr,args | awk ‘{if($5==3) print $0}’

root        13     2    13   3 [migration/3]

root        14     2    14   3 [kworker/3:0]

root        15     2    15   3 [ksoftirqd/3]

root       246     2   246   3 [kworker/3:1]

root      3963     1  3968   3 qemu-system-x86_64 rhel6u3.img -smp 2 -m 512 -daemonize

由上面的命令行及其输出信息可知,CPU绑定之前,代表这个客户机的QEMU进程和代表各个vCPU的QEMU线程分别被调度到cpu0和cpu1上。使用taskset命令将QEMU进程和第一个vCPU的线程绑定到cpu2,将第二个vCPU线程绑定到cpu3上。绑定之后,即可查看到绑定的结果是生效的,代表两个vCPU的QEMU线程分别运行在cpu2和cpu3上(即使再过一段时间后,它们也不会被调度到其他CPU上去)。

对taskset命令解释一下,此处使用的语法是:taskset -p [mask] pid 。其中,mask是一个代表了处理器亲和性的掩码数字,转化为二进制表示后,它的值从最低位到最高位分别代表了第一个逻辑CPU到最后一个逻辑CPU,进程调度器可能将该进程调度到所有标为“1”的位代表的CPU上去运行。根据上面的输出,taskset运行之前,QEMU线程的处理器亲和性mask值是0×3(其二进制值为:0011),可知其可能会被调度到cpu0和cpu1上运行;而运行“taskset -p 0×4 3967”命令后,提示新的mask值被设为0×4(其二进制值为:0100),所以该进程就只能被调度到cpu2上去运行,即通过taskset工具实现了vCPU进程绑定到特定的CPU上。

上面命令行中,根据ps命令可以看到QEMU的线程和进程的关系,但如何查看vCPU与QEMU线程之间的关系呢?可以切换(“Ctrl+Alt+2”快捷键)到QEMU monitor中进行查看,运行“info cpus”命令即可(还记得3.6节中运行过的“info kvm”命令吧),其输出结果如下:

(qemu) info cpus

* CPU #0: pc=0xffffffff810375ab thread_id=3967

CPU #1: pc=0xffffffff812b2594 thread_id=3968

从上面的输出信息可知,客户机中的cpu0对应的线程ID为3967,cpu1对应的线程ID为3968。另外,“CPU #0”前面有一个星号(*),是标识cpu0是BSP(Boot Strap Processor,系统最初启动时在SMP生效前使用的CPU)。

总的来说,在KVM环境中,一般并不推荐手动地人为设置QEMU进程的处理器亲和性来绑定vCPU,但是,在非常了解系统硬件架构的基础上,根据实际应用的需求,是可以将其绑定到特定的CPU上去从而提高客户机中的CPU执行效率或者实现CPU资源独享的隔离性。

[2013.03.31] 添加几个关于CPU亲和性的小知识点:
1. 限制CPU亲和性的原因一般有如下3个:
1.1 任务中有大量计算存在;
1.2 测试复杂的应用程序(随着CPU个数的正常,程序的处理能力可以线性地扩展);
1.3 运行时间敏感的进程(实时性要求很高)。
2. 子进程会继承父进程的affinity属性(其实用taskset方式启动一个进程就是一次fork+exec)。
3. 在进程的代码中,使用sched_setaffinity函数可以设置该进程的CPU亲和性。
#include 
int sched_setaffinity(pid_t pid, unsigned int len, unsigned long *mask);
int sched_getaffinity(pid_t pid, unsigned int len, unsigned long *mask);
4. 使用Nginx时,其配置文件conf/nginx.conf中支持一个名为worker_cpu_affinity的配置项,也就是说,nginx可以为每个工作进程绑定CPU。
如下配置:
worker_processes 3;
worker_cpu_affinity 0010 0100 1000;
这里0010 0100 1000是掩码,分别代表第2、3、4颗CPU核心(或超线程)。
重启nginx后,3个工作进程就可以各自用各自的CPU了。
5. 在Windows系统中的“任务管理器”中,也可以对一个进程设置CPU亲和性“set affinity”。

逻辑CPU个数:

逻辑CPU个数是指cat /proc/cpuinfo 所显示的processor的个数
# cat /proc/cpuinfo | grep "processor" | wc -l

物理CPU个数
物理CPU个数,是指physical id(的值)的数量
# cat /proc/cpuinfo | grep "physical id" | sort | uniq | wc -l

每个物理CPU中Core的个数:

每个相同的physical id都有其对应的core id。如core id分别为1、2、3、4,则表示是Quad-Core CPU,若core id分别是1、2,则表示是Dual-Core。
# cat /proc/cpuinfo | grep "cpu cores" | wc -l

是否为超线程?
如果有两个逻辑CPU具有相同的"core id",那么超线程是打开的。

每个物理CPU中逻辑CPU(可能是core, threads或both)的个数:
# cat /proc/cpuinfo | grep "siblings"

逻辑cpu既可能是cores的个数,也可能是core的倍数。当它和core的个数相等时,表示每一个core就是一个逻辑CPU,若它时core的2倍时,表示每个core又enable了超线程(Hyper-Thread)。比如:一个双核的启用了超线程的物理cpu,其core id分别为1、2,但是sibling是4,也就是如果有两个逻辑CPU具有相同的"core id",那么超线程是打开的。


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大虾小鱼APP2017-12-14 19:08:53

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