《Linux内核精髓：精通Linux内核必会的75个绝技》一HACK #11cpuset

HACK #11cpuset

本节介绍控制物理CPU分配的cpuset。
cpuset是Linux控制组（Cgroup）之一，其功能是指定特定进程或线程所使用的CPU组。另外，除CPU以外，同样还能指定内存节点的分配。
以前的内核具有CPU affinity功能，该功能将线程分配给特定CPU。现在的内核中虽然也有affinity（taskset命令），但推荐使用cpuset。
用法
使用cpuset前，必须通过内核config启用cpuset功能。
CONFIG_CPUSETS=y
最近的发布版在标准中就已启用。cpuset就是作为Cgroup提供的一个功能。因此，使用cpuset时，就需要挂载 Cgroup文件系统。使用下列方法启用cpuset选项，挂载Cgroup后，就可以使用cpuset（参考Hack #7）。

# mount -o cpuset -t cgroup cgroup /cgroup

在这里创建一个新的CPU分配组GroupA。与其他Cgroup同样在挂载的Cgroup下创建新目录GroupA，作为分组GroupA。

# mkdir /cgroup/GroupA

编辑新创建分组GroupA的cpuset，修改CPU分配情况。这里以仅将CPU0分配给分组GroupA的情况为例进行说明。在分组GroupA下的特殊文件cpuset.cpus内写入要分配的CPU编号，使用下列命令，来控制分组的cpuset。

# echo 0 > /cgroup/GroupA/cpuset.cpus

到这一步，就完成了仅使用CPU0作为GroupA的CPU分配的设置。
接下来，在这个分组GroupA中添加进程。这里将当前shell添加到GroupA中。使用下列命令，将PID（$$表示shell本身的PID）写入GroupA下的task文件。

# echo $$ > /cgroup/GroupA/task

此后由当前shell启动的进程全部在这个GroupA下，使用的CPU仅限于0号CPU。
现在确认所使用的CPU数量是否受限，以及产生的效果如何。本节显示的是以Fedora 12为例的情况。
本示例中使用的Fedora 12内核如下。

# uname -a
Linux fedora12 2.6.31.12-174.2.22.fc12.x86_64 #1 SMP Fri Feb 19 18:55:03 UTC 2010
x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

如果使用cpuset改变所使用的CPU数量会怎么样？比较内核的编译时间。
首先准备好要进行比较的编译。为了避免磁盘性能的影响，首先创建内存文件系统tmpfs，并在其中配置源文件。创建目录/tmp/build，挂载 tmpfs，命令如下所示。

# mkdir /tmp/build
# mount -t tmpfs none /tmp/build

本次测量的是内核源代码每次在创建的tmpfs下解压缩tarball时，使用默认config所花费的内核编译时间。使用的一系列命令行如下。

# cd /tmp/build/
# tar jxf /ext4data/kernel/linux-2.6.33.tar.bz2
# cd linux-2.6.33/
# make defconfig
# time make -j 2

首先测量Linux 2.6.33的编译时间。
将Cgroup挂载到/cgroup，创建分组GroupA。

# mount -o cpuset -t cgroup cgroup /cgroup
# mkdir /cgroup/GroupA

接下来看一下向分组GroupA分配两个CPU时的结果。

# echo"0-1" > /cgroup/GroupA/cpuset.cpus
# echo 0 > /cgroup/GroupA/cpuset.mems   mems默认为空，因此需要填入值
# echo $$ > /cgroup/GroupA/tasks

编译时间如下。

# time make -j 2
real   4m55.568s
user   2m42.066s
sys    5m4.575s

然后将CPU缩减到只有0号CPU。

# echo 0 > /cgroup/GroupA/cpuset.cpus
# echo 0 > /cgroup/GroupA/cpuset.mems
# echo $$ > /cgroup/GroupA/tasks 

# mount -t tmpfs none /tmp/build
# cd /tmp/build/
# tar jxf /ext4data/kernel/linux-2.6.33.tar.bz2
# cd linux-2.6.33/
# make defconfig
# time make -j 2
real    7m44.491s
user    2m47.319s
sys    4m56.737s

可以看到，CPU数量变为1，实际花费的时间（real）增加。
下面以对虚拟化（KVM）进程所使用的CPU进行限制的情况为例，看一下将分配给KVM进程的CPU固定，并确保主机操作系统能够一直使用CPU后，是否能够减少虚拟化的影响。
这个示例同样使用Fedora 12。
首先使用KVM，启动两个客户端操作系统。然后，在客户端操作系统中循环进行内核编译，加大CPU负载。
在解压缩Linux 2.6.33源代码的目录下，无限循环执行make clean和make命令，增加客户端操作系统的CPU负载。

hshimamoto@ubuntu:~/kernel/linux-2.6.33$ while :; do make clean; time make; done
hshimamoto@opensuse:~/kernel/linux-2.6.33> while :; do make clean; time make; done

在这种情况下计算主机操作系统上的内核编译时间。同前例一样，需要创建tmpfs，消除磁盘性能的影响后再进行测量。计算结果如下。

# time make -j 2
real    8m20.468s
user    2m45.890s
sys     4m51.091s

然后，将KVM的qemu-kvm进程可以使用的CPU设置为只有0号CPU。

# mount -o cpuset -t cgroup cgroup /cgroup
# mkdir /cgroup/kvm

# echo 0 > /cgroup/kvm/cpuset.meme  将kvm分组的cpuset设为只有0
# echo 0 > /cgroup/kvm/cpuset.cpus

将启动中的qemu-kvm移动到kvm分组。

# ps x | grep qemu
 2495 pts/2    Sl+  238:37 qemu-kvm
 2628 pts/3    Sl+  255:33 qemu-kvm

# for i in '\ls /proc/2495/task/'; do echo $i > /cgroup/kvm/tasks; done
# for i in '\ls /proc/2628/task/'; do echo $i > /cgroup/kvm/tasks; done

另外，ksmd（参考Hack #36）也使用CPU，因此这里也将其加入kvm分组。

# ps ux | grep ksmd
root     35  2.2  0.0     0   0?     SN   Mar23 119:42[ksmd]

# echo 35 > /cgroup/kvm/tasks

现在，主机操作系统的内核编译时间就变成如下所示。

# time make -j 2

real    7m55.081s
user    2m43.303s
sys     5m12.039s

可以发现，内核编译所花费的实际时间减少了接近30秒。
这是因为虚拟化的KVM进程只在CPU0上运行，在主机操作系统上就可以使用100%的CPU。
小结
本节介绍了使用Linux中的Cgroup的cpuset。通过使用这个功能，就可以限制特定进程所使用的CPU。从另一个角度来看，通过固定使用的CPU，还可以提高缓存的利用效率和性能。
—Hiroshi Shimamoto