Linux內(nèi)核是如何限制進(jìn)程對CPU資源使用的？

在使用?Kubernetes（簡稱K8s）?時(shí)，通常會(huì)在同一臺(tái)機(jī)器上部署多個(gè) Pod。如果某個(gè) Pod 中的服務(wù)出現(xiàn)問題（如出現(xiàn)死循環(huán)），將會(huì)導(dǎo)致占用大量的 CPU 時(shí)間，從而影響到其他 Pod 的正常運(yùn)行。

為了解決這個(gè)問題，K8s 提供了一個(gè)限制 Pod 使用 CPU 資源的配置項(xiàng)，如下所示：

?

resources:
??limits:
????cpu:?"0.5"

?

上述配置限制了 Pod 只能使用 0.5 個(gè) CPU 資源。

K8s 通過使用 Linux 資源控制組（cgroup）中的?CPU子系統(tǒng)?來限制 Pod 對 CPU 資源的使用。

下面我們來分析一下 Linux 內(nèi)核是如何限制進(jìn)程對 CPU 資源的使用。

CPU限流原理

如果讓我們來設(shè)計(jì)一個(gè)限制進(jìn)程對 CPU 資源使用的算法（如限制進(jìn)程 A 只能使用 10% 的 CPU 運(yùn)行時(shí)間），應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)呢？

最簡單的方法是，將 CPU 的運(yùn)行時(shí)間劃分成一個(gè)個(gè)時(shí)間片段（稱為?周期(period)，如 100 毫秒）。由于進(jìn)程 A 被限制為只能使用 10% 的 CPU 運(yùn)行時(shí)間，所以在一個(gè)周期內(nèi)，進(jìn)程 A 只能獲得 10 毫秒的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)進(jìn)程 A 在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)行超過 10 毫秒后，將會(huì)被內(nèi)核移除可運(yùn)行隊(duì)列。那么在當(dāng)前周期內(nèi)，進(jìn)程 A 將不會(huì)被調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)?CPU限流?的目的。

當(dāng)一個(gè)新的周期開始時(shí)，進(jìn)程 A 將會(huì)重新獲得 10% 的 CPU 運(yùn)行時(shí)間。如下圖所示：

進(jìn)程在一個(gè)周期內(nèi)能運(yùn)行的時(shí)間被稱為?配額(quota)。

CPU限流實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核以?進(jìn)程組?作為資源控制的主體，進(jìn)程組使用?task_group?結(jié)構(gòu)體來描述，其定義如下：

?

struct?task_group?{
????...
????//?可運(yùn)行隊(duì)列，每個(gè)CPU一個(gè)
????struct?cfs_rq?**cfs_rq;
????...
????//?用于限制進(jìn)程組對CPU資源的使用
????struct?cfs_bandwidth?cfs_bandwidth;
};

?

可以看出，每個(gè)進(jìn)程組都有一個(gè)可運(yùn)行隊(duì)列，可運(yùn)行隊(duì)列中包含了進(jìn)程組中所有可以被調(diào)度的進(jìn)程。

在多核環(huán)境下，每個(gè) CPU 都有一個(gè)可運(yùn)行隊(duì)列，主要為了解決資源競爭問題。

另外，task_group?結(jié)構(gòu)體中還有個(gè)類型為?cfs_bandwidth?的字段，用于控制進(jìn)程組對 CPU 資源的使用。cfs_bandwidth?結(jié)構(gòu)體的定義如下：

?

struct?cfs_bandwidth?{
????...
????ktime_t?period;
????u64?quota;
????u64?runtime;
????...
????struct?hrtimer?period_timer;
};

?

下面介紹一下?cfs_bandwidth?結(jié)構(gòu)體各個(gè)字段的作用：

period：就是上面介紹的周期，用戶可以通過修改 cgroup 的?cpu.cfs_period_us?文件進(jìn)行設(shè)置。

quota：進(jìn)程組在周期內(nèi)能夠運(yùn)行的時(shí)間，用戶可以通過修改 cgroup 的?cpu.cfs_quota_us?文件進(jìn)行設(shè)置。

runtime：進(jìn)程組在周期內(nèi)剩余的可運(yùn)行時(shí)間。

period_timer：定時(shí)器，每隔一個(gè)周期執(zhí)行一次，主要用于更新?runtime?字段的值。

runtime?字段用于保存進(jìn)程組在當(dāng)前周期內(nèi)剩余的可運(yùn)行時(shí)間，如果調(diào)度器選中了進(jìn)程組中某個(gè)進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，將會(huì)減少進(jìn)程組的剩余可運(yùn)行時(shí)間。如下圖所示：

在上圖中，進(jìn)程組 A 中的進(jìn)程 D 被調(diào)度器選中運(yùn)行。如果進(jìn)程組 A 原來的可運(yùn)行時(shí)間為 50 毫秒，而進(jìn)程 D 運(yùn)行了 10 毫秒。那么，進(jìn)程組 A 的可運(yùn)行時(shí)間將從會(huì)減少 10 毫秒，從而變?yōu)?40 毫秒。

在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)進(jìn)程組的可運(yùn)行時(shí)間變?yōu)?0 時(shí)，那么此進(jìn)程組將會(huì)被限制運(yùn)行（稱為 CPU Throttling），直到下一個(gè)周期開始。

當(dāng)進(jìn)程組被限制運(yùn)行時(shí)，進(jìn)程組內(nèi)的所有進(jìn)程都不能被執(zhí)行。

當(dāng)進(jìn)程組開啟了 CPU 限流功能時(shí)（也就是設(shè)置了?period?和?quota?的值），內(nèi)核將會(huì)為其啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器每隔一個(gè)周期觸發(fā)一次，用于更新進(jìn)程組的可運(yùn)行時(shí)間，從而解除進(jìn)程組被限制運(yùn)行的情況。

定時(shí)器通過調(diào)用?__refill_cfs_bandwidth_runtime()?函數(shù)來更新進(jìn)程組的可運(yùn)行時(shí)間，其代碼如下：

?

void?__refill_cfs_bandwidth_runtime(struct?cfs_bandwidth?*cfs_b)
{
????...
????cfs_b->runtime?=?cfs_b->quota;
????...
}

?

上面的代碼將?quota?字段的值賦給了?runtime?字段，所以進(jìn)程組重新獲得了可運(yùn)行時(shí)間，從而解除被限制運(yùn)行的狀態(tài)。

審核編輯：劉清