--- title: 控制节点上的 CPU 管理策略 content_type: task --- {{< feature-state for_k8s_version="v1.12" state="beta" >}} 按照设计,Kubernetes 对 Pod 执行相关的很多方面进行了抽象,使得用户不必关心。 然而,为了正常运行,有些工作负载要求在延迟和/或性能方面有更强的保证。 为此,kubelet 提供方法来实现更复杂的负载放置策略,同时保持抽象,避免显式的放置指令。 ## {{% heading "prerequisites" %}} {{< include "task-tutorial-prereqs.md" >}} {{< version-check >}} ## CPU 管理策略 默认情况下,kubelet 使用 [CFS 配额](https://en.wikipedia.org/wiki/Completely_Fair_Scheduler) 来执行 Pod 的 CPU 约束。 当节点上运行了很多 CPU 密集的 Pod 时,工作负载可能会迁移到不同的 CPU 核, 这取决于调度时 Pod 是否被扼制,以及哪些 CPU 核是可用的。 许多工作负载对这种迁移不敏感,因此无需任何干预即可正常工作。 然而,有些工作负载的性能明显地受到 CPU 缓存亲和性以及调度延迟的影响。 对此,kubelet 提供了可选的 CPU 管理策略,来确定节点上的一些分配偏好。 ### 配置 CPU 管理策略通过 kubelet 参数 `--cpu-manager-policy` 或 [KubeletConfiguration](/zh-cn/docs/reference/config-api/kubelet-config.v1beta1/) 中的 `cpuManagerPolicy` 字段来指定。 支持两种策略: * `none`: 默认策略,表示现有的调度行为。 * `static`: 允许为节点上具有某些资源特征的 Pod 赋予增强的 CPU 亲和性和独占性。 CPU 管理器定期通过 CRI 写入资源更新,以保证内存中 CPU 分配与 cgroupfs 一致。 同步频率通过新增的 Kubelet 配置参数 `--cpu-manager-reconcile-period` 来设置。 如果不指定,默认与 `--node-status-update-frequency` 的周期相同。 Static 策略的行为可以使用 `--cpu-manager-policy-options` 参数来微调。 该参数采用一个逗号分隔的 `key=value` 策略选项列表。 此特性可以通过 `CPUManagerPolicyOptions` 特性门控来完全禁用。 策略选项分为两组:alpha 质量(默认隐藏)和 beta 质量(默认可见)。 这些组分别由 `CPUManagerPolicyAlphaOptions` 和 `CPUManagerPolicyBetaOptions` 特性门控来管控。 不同于 Kubernetes 标准,这里是由这些特性门控来管控选项组,因为为每个单独选项都添加一个特性门控过于繁琐。 ### 更改 CPU 管理器策略 由于 CPU 管理器策略只能在 kubelet 生成新 Pod 时应用,所以简单地从 "none" 更改为 "static" 将不会对现有的 Pod 起作用。 因此,为了正确更改节点上的 CPU 管理器策略,请执行以下步骤: 1. [腾空](/zh-cn/docs/tasks/administer-cluster/safely-drain-node)节点。 2. 停止 kubelet。 3. 删除旧的 CPU 管理器状态文件。该文件的路径默认为 `/var/lib/kubelet/cpu_manager_state`。 这将清除 CPUManager 维护的状态,以便新策略设置的 cpu-sets 不会与之冲突。 4. 编辑 kubelet 配置以将 CPU 管理器策略更改为所需的值。 5. 启动 kubelet。 对需要更改其 CPU 管理器策略的每个节点重复此过程。 跳过此过程将导致 kubelet crashlooping 并出现以下错误: ``` could not restore state from checkpoint: configured policy "static" differs from state checkpoint policy "none", please drain this node and delete the CPU manager checkpoint file "/var/lib/kubelet/cpu_manager_state" before restarting Kubelet ``` ### none 策略 `none` 策略显式地启用现有的默认 CPU 亲和方案,不提供操作系统调度器默认行为之外的亲和性策略。 通过 CFS 配额来实现 [Guaranteed Pods](/zh-cn/docs/tasks/configure-pod-container/quality-service-pod/) 和 [Burstable Pods](/zh-cn/docs/tasks/configure-pod-container/quality-service-pod/) 的 CPU 使用限制。 ### static 策略 `static` 策略针对具有整数型 CPU `requests` 的 `Guaranteed` Pod ,它允许该类 Pod 中的容器访问节点上的独占 CPU 资源。这种独占性是使用 [cpuset cgroup 控制器](https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v1/cpusets.txt) 来实现的。 {{< note >}} 诸如容器运行时和 kubelet 本身的系统服务可以继续在这些独占 CPU 上运行。独占性仅针对其他 Pod。 {{< /note >}} {{< note >}} CPU 管理器不支持运行时下线和上线 CPUs。此外,如果节点上的在线 CPUs 集合发生变化, 则必须驱逐节点上的 Pod,并通过删除 kubelet 根目录中的状态文件 `cpu_manager_state` 来手动重置 CPU 管理器。 {{< /note >}} 此策略管理一个 CPU 共享池,该共享池最初包含节点上所有的 CPU 资源。 可独占性 CPU 资源数量等于节点的 CPU 总量减去通过 kubelet `--kube-reserved` 或 `--system-reserved` 参数保留的 CPU 资源。 从 1.17 版本开始,可以通过 kubelet `--reserved-cpus` 参数显式地指定 CPU 预留列表。 由 `--reserved-cpus` 指定的显式 CPU 列表优先于由 `--kube-reserved` 和 `--system-reserved` 指定的 CPU 预留。 通过这些参数预留的 CPU 是以整数方式,按物理核心 ID 升序从初始共享池获取的。 共享池是 `BestEffort` 和 `Burstable` Pod 运行的 CPU 集合。 `Guaranteed` Pod 中的容器,如果声明了非整数值的 CPU `requests`,也将运行在共享池的 CPU 上。 只有 `Guaranteed` Pod 中,指定了整数型 CPU `requests` 的容器,才会被分配独占 CPU 资源。 {{< note >}} 当启用 static 策略时,要求使用 `--kube-reserved` 和/或 `--system-reserved` 或 `--reserved-cpus` 来保证预留的 CPU 值大于零。 这是因为零预留 CPU 值可能使得共享池变空。 {{< /note >}} 当 `Guaranteed` Pod 调度到节点上时,如果其容器符合静态分配要求, 相应的 CPU 会被从共享池中移除,并放置到容器的 cpuset 中。 因为这些容器所使用的 CPU 受到调度域本身的限制,所以不需要使用 CFS 配额来进行 CPU 的绑定。 换言之,容器 cpuset 中的 CPU 数量与 Pod 规约中指定的整数型 CPU `limit` 相等。 这种静态分配增强了 CPU 亲和性,减少了 CPU 密集的工作负载在节流时引起的上下文切换。 考虑以下 Pod 规格的容器: ```yaml spec: containers: - name: nginx image: nginx ``` 该 Pod 属于 `BestEffort` QoS 类型,因为其未指定 `requests` 或 `limits` 值。 所以该容器运行在共享 CPU 池中。 ```yaml spec: containers: - name: nginx image: nginx resources: limits: memory: "200Mi" requests: memory: "100Mi" ``` 该 Pod 属于 `Burstable` QoS 类型,因为其资源 `requests` 不等于 `limits`,且未指定 `cpu` 数量。 所以该容器运行在共享 CPU 池中。 ```yaml spec: containers: - name: nginx image: nginx resources: limits: memory: "200Mi" cpu: "2" requests: memory: "100Mi" cpu: "1" ``` 该 Pod 属于 `Burstable` QoS 类型,因为其资源 `requests` 不等于 `limits`。 所以该容器运行在共享 CPU 池中。 ```yaml spec: containers: - name: nginx image: nginx resources: limits: memory: "200Mi" cpu: "2" requests: memory: "200Mi" cpu: "2" ``` 该 Pod 属于 `Guaranteed` QoS 类型,因为其 `requests` 值与 `limits`相等。 同时,容器对 CPU 资源的限制值是一个大于或等于 1 的整数值。 所以,该 `nginx` 容器被赋予 2 个独占 CPU。 ```yaml spec: containers: - name: nginx image: nginx resources: limits: memory: "200Mi" cpu: "1.5" requests: memory: "200Mi" cpu: "1.5" ``` 该 Pod 属于 `Guaranteed` QoS 类型,因为其 `requests` 值与 `limits`相等。 但是容器对 CPU 资源的限制值是一个小数。所以该容器运行在共享 CPU 池中。 ```yaml spec: containers: - name: nginx image: nginx resources: limits: memory: "200Mi" cpu: "2" ``` 该 Pod 属于 `Guaranteed` QoS 类型,因其指定了 `limits` 值,同时当未显式指定时, `requests` 值被设置为与 `limits` 值相等。 同时,容器对 CPU 资源的限制值是一个大于或等于 1 的整数值。 所以,该 `nginx` 容器被赋予 2 个独占 CPU。 #### Static 策略选项 你可以使用以下特性门控根据成熟度级别打开或关闭选项组: * `CPUManagerPolicyBetaOptions` 默认启用。禁用以隐藏 beta 级选项。 * `CPUManagerPolicyAlphaOptions` 默认禁用。启用以显示 alpha 级选项。 你仍然必须使用 `CPUManagerPolicyOptions` kubelet 选项启用每个选项。 静态 `CPUManager` 策略存在以下策略选项: * `full-pcpus-only`(beta,默认可见) * `distribute-cpus-across-numa`(alpha,默认隐藏) 如果使用 `full-pcpus-only` 策略选项,static 策略总是会分配完整的物理核心。 默认情况下,如果不使用该选项,static 策略会使用拓扑感知最适合的分配方法来分配 CPU。 在启用了 SMT 的系统上,此策略所分配是与硬件线程对应的、独立的虚拟核。 这会导致不同的容器共享相同的物理核心,该行为进而会导致 [吵闹的邻居问题](https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing_issues#Performance_interference_and_noisy_neighbors)。 启用该选项之后,只有当一个 Pod 里所有容器的 CPU 请求都能够分配到完整的物理核心时, kubelet 才会接受该 Pod。 如果 Pod 没有被准入,它会被置于 Failed 状态,错误消息是 `SMTAlignmentError`。 如果使用 `distribute-cpus-across-numa` 策略选项, 在需要多个 NUMA 节点来满足分配的情况下, static 策略会在 NUMA 节点上平均分配 CPU。 默认情况下,`CPUManager` 会将 CPU 分配到一个 NUMA 节点上,直到它被填满, 剩余的 CPU 会简单地溢出到下一个 NUMA 节点。 这会导致依赖于同步屏障(以及类似的同步原语)的并行代码出现不期望的瓶颈, 因为此类代码的运行速度往往取决于最慢的工作线程 (由于至少一个 NUMA 节点存在可用 CPU 较少的情况,因此速度变慢)。 通过在 NUMA 节点上平均分配 CPU, 应用程序开发人员可以更轻松地确保没有某个工作线程单独受到 NUMA 影响, 从而提高这些类型应用程序的整体性能。 可以通过将 `full-pcups-only=true` 添加到 CPUManager 策略选项来启用 `full-pcpus-only` 选项。 同样地,可以通过将 `distribute-cpus-across-numa=true` 添加到 CPUManager 策略选项来启用 `distribute-cpus-across-numa` 选项。 当两者都设置时,它们是“累加的”,因为 CPU 将分布在 NUMA 节点的 full-pcpus 块中, 而不是单个核心。