[原] Cgroup CPU, Blkio 测试

关于Cgroup的简单测试
- 简单介绍Cgroup
- 测试及验证
- 总结
- 参考文献

关于Cgroup的简单测试

简单介绍Cgroup

(如果对cgroup熟悉可以忽略)
一般情况下，cgroup挂载到一个虚拟文件目录，然后可以通过文件系统的API对其操作。

># mount | grep cgroup 可以查看mount point

(debian) /sys/fs/cgroup/
(redhat) /cgroup/

以下非特殊说明，均以ubuntu12.04(3.5.0-23-generic) 为准
如果没有，安装方式
># apt-get install cgroup-bin
># yum -y install libcgroup

可以在 /proc/cgroups 下面看到目前有哪些子系统以及他们的使用情况

root@vm-222:/sys/fs/cgroup/blkio# cat /proc/cgroups
#subsys_name    hierarchy   num_cgroups enabled
cpuset  9   1   1
cpu 10  10  1
cpuacct 11  1   1
memory  12  1   1
devices 13  1   1
freezer 14  1   1
blkio   15  2   1
perf_event  16  1   1

在 /sys/fs/cgroup/ 目录下可以看到如下子系统, 这是系统默认挂载方式，也是推荐的方式。

zhangbo3@vm-222:/sys/fs/cgroup$ ll
total 0
drwxr-xr-x 10 root root 200 Aug 31 23:06 ./
drwxr-xr-x  6 root root   0 Aug 31 23:14 ../
drwxr-xr-x  2 root root   0 Aug 31 23:06 blkio/
drwxr-xr-x  2 root root   0 Sep  6 10:22 cpu/
drwxr-xr-x  2 root root   0 Aug 31 23:06 cpuacct/
drwxr-xr-x  2 root root   0 Sep  6 10:22 cpuset/
drwxr-xr-x  2 root root   0 Aug 31 23:00 devices/
drwxr-xr-x  2 root root   0 Au  31 23:06 freezr/
drwxr-xr-x  2 root root   0 Aug 31 23:06 memor/
drwxr-xr-x  2 root root   0 Aug 31 23:06 perf_event/

也可以将 CPU, MEMORY 子系统都挂载到一个目录下.
mount -t cgroup -o cpu,memory cpu_mem_cg /sys/fs/cgroup/cpu_mem_cg

但是当CPU子系统已经被挂载过一次之后，就不能再挂载到第二个目录。

>#mount -t cgroup -o cpu,memory cpu_mem_cg /sys/fs/cgroup/cpu_mem_cg
提示错误如下:
>#mount: /sys/fs/cgroup/cpu_mem_cg already mounted or /sys/fs/cgroup/cpu_mem_cg busy

子系统文件介绍,以cpu子系统为例:

cpu
├── cgroup.clone_children
├── cgroup.event_control
├── cgroup.procs
├── cpu.cfs_period_us
├── cpu.cfs_quota_us
├── cpu.rt_period_us
├── cpu.rt_runtime_us
├── cpu.shares
├── cpu.stat
├── notify_on_release
├── release_agent
└── tasks

tasks 里面包含了当前进程，默认安装cgroup后，当前所有系统进程都会纳入cgroup管理，并且被加入到cgroup 根目录下,所有值为cgroup默认值，调度策略也使用完全公平调度.

cat tasks
可以看到所有进程.

cgroup 采用层级管理方式，可以在cpu子系统下面直接新建目录。
>#mkdir test
在test/ 目录下面，会基础根目录的所有属性，但是不包括tasks.
可以调整test/ 目录下面的cpu.* 的值对其设置，比如设置 cpu.shares=100
>#echo 100 > cpu.shares
所有tasks里面的pid都会在这个cgroup的管理下, 按照cpu.shares=100的值作为系统调度.

测试及验证

此次测试只针对CPU和blkio子系统，CPU用来限制CPU调度，blkio用来限制块设备IO调度

测试点

- 查看cpu.shares值是否符合调度预期

- mysql进程cpu调度是否符合预期

- 磁盘IO调度是否符合预期

实际测试结果

cpu.shares值是否符合预期

cpu.shares 值作为CPU的子系统的全局调度策略，为某个group设置cpu.shaes值后，会按照系统当前所有shares值为其分配一定权重，默认一个group最大值为1024, 这是个相对值, 比如group1, group2 的shares值同为100，他们应该获取相同的CPU时间片, 如果group1 设置为100，group2 设置为200，则group2的时间片应该是group1的两倍.

以一个会占据单核所有CPU的进程为例:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main(){volatile float a;while(1) {a = 88888.8 * 88888.78;}return ;
}

默认所有进程已经加入cgroup豪华午餐.
由于是双核机器，开两个程，完全占据所有CPU.

PID  USER   PR  NI VIRT RES   SHR  S      %CPU %MEM  TIME+ COMMAND
39707 zhangbo3  20   0  4156  348  272 R   99  0.0   0:13.88 crazy
39863 zhangbo3  20   0  4156  352  272 R   99  0.0   0:36.14 crazy

四个进程

39863 zhangbo3  20   0  4156  352  272 R   48  0.0   1:38.10 crazy
39707 zhangbo3  20   0  4156  348  272 R   46  0.0   3:27.95 crazy
40124 zhangbo3  20   0  4156  352  272 R   43  0.0   0:05.55 crazy 4025 zhangbo3  20   0  4156  352  272 R   46  0.0   0:05.70 crazy

默认权值是1024的cgroup，进程几乎是平分CPU.

现将39863 39707 两个进程加入到test group, 并设置其cpu.shares=512
echo 39863 >> tasks
echo 39707 >> tasks
echo 512 >> cpu.shares

查看当前cpu利用率

40124 zhangbo3  20   0  4156  352  272 R   63  0.0   3:12.10 crazy
40125 zhangbo3  20   0  4156  352  272 R   61  0.0   3:12.02 crazy
39863 zhangbo3  20   0  4156  352  272 R   34  0.0   4:28.27 crazy
39707 zhangbo3  20   0  4156  348  272 R   32  0.0   6:12.77 crazy

可以看到, 39863 39707 两个进程的CPU 使用率基本是前两个的一半，完全符合预期有木有.

mysql进程cpu调度是否符合预期

将两个mysql实例加入到统一group下，为其设置cpu.shares=500
利用mysqlslap 对两个实例小小压测一下.
ps:针对CPU的压测，需要将CPU都压满才能体现cpu.shares的值的分配，如果是空载情况下，所有group都会最大限度的利用CPU.

User time 6.66, System time 13.08
Maximum resident set size 9548, Integral resident set size 0
Non-physical pagefaults 26115, Physical pagefaults 0, Swaps 0
Blocks in 0 out 0, Messages in 0 out 0, Signals 0
Voluntary context switches 253951, Involuntary context switches 5412

User time 6.57, System time 13.20
Maximum resident set size 9536, Integral resident set size 0
Non-physical pagefaults 26080, Physical pagefaults 0, Swaps 0
Blocks in 0 out 0, Messages in 0 out 0, Signals 0
Voluntary context switches 255336, Involuntary context switches 4518

可以观察到两者的Involuntary context switches值相差不大

将两个mysql 实例加入到不同的group下，分别为其设置cpu.shares=500, 1000

User time 12.07, System time 17.12
Maximum resident set size 150872, Integral resident set size 0
Non-physical pagefaults 938774, Physical pagefaults 0, Swaps 0
Blocks in 0 out 0, Messages in 0 out 0, Signals 0
Voluntary context switches 227545, Involuntary context switches 10615

User time 12.01, System time 18.79
Maximum resident set size 134212, Integral resident set size 0
Non-physical pagefaults 1087038, Physical pagefaults 0, Swaps 0
Blocks in 0 out 0, Messages in 0 out 0, Signals 0
Voluntary context switches 227556, Involuntary context switches 6800

可以观察到Involuntary context switches值基本符合预期

磁盘IO调度是否符合预期

分别将磁盘blkio.weight 设置为 500
dd if=/dev/zero of=/data2/dd.test bs=8k count=1024000
产生两个8.4G的文件
产生如下IO调度分配结果

1024000+0 records in
1024000+0 records out
8388608000 bytes (8.4 GB) copied, 84.7144 s, 99.0 MB/s

1024000+0 records in
1024000+0 records out
8388608000 bytes (8.4 GB) copied, 81.2984 s, 103 MB/s

看似符合预期，于是进行下一步
将进程1的IO权值设置为1000, 进程2的权值设置为100
可以看到两者并无差别，不符合我们的预期，是我打开的方式不对么?

4000+0 records in
4000+0 records out
4194304000 bytes (4.2 GB) copied, 5.292 s, 70.7 MB/s

4000+0 records in
4000+0 records out
4194304000 bytes (4.2 GB) copied, 60.3834 s, 69.5 MB/s

因为需要使用完全公平调度，于是设置io调度方式为cfq

echo cfq > /sys/block/<divice-name>/queue/scheduler

在cgroup文档里面有这么一个提示:

blkio子系统只针对非buffered IO或者read IO起作用.
使用直接IO方式启动DD

dd if=/dev/zero of=/data/dd.test oflag=direct,nonblock bs=1M count=4000

将buffer刷到磁盘，并清掉cache

sync
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

观察到IO调度符合预期.

8192000+0 records in
8192000+0 records out
4194304000 bytes (4.2 GB) copied, 35.9584 s, 117 MB/sroot@ip-172-17-6-225:/tmp# cat cgroup2.log
4000+0 records in
4000+0 records out
4194304000 bytes (4.2 GB) copied, 97.82 s, 42.9 MB/s

因为进程1提前结束，所以会让出一部分时间片给进程2，但是从iotop来看，同时运行的情况下IO调度是负荷预期的.

总结使用BLKIO子系统必须满足以下几个条件:

1. 默认系统调度方式为CFQ, 完全公平调度
2. 内核编译宏 CONFIG_BLK_CGROUP=y CONFIG_CFQ_GROUP_IOSCHED=y
3. 必须是非buffered 写 IO

总结

测试过程中使用到的命令:

mysql 压力测试
mysqlslap -uxxx -pxxx -P 6810 -h127.0.0.1 --concurrency=200 --iterations=1 --auto-generate-sql --number-of-queries=20000 --debug-info  --create-schema='test2' --auto-generate-sql-load-type=mixeddd 磁盘压测
dd if=/dev/zero of=/data/dd.test oflag=direct,nonblock bs=1M count=4000iotop 查看IO情况

本次测试针对CPU和IO调度都做了相应的测试，调度参数符合预期.

针对cgroup对MySQL的管理方案:

限制 CPU 使用，每个MySQL实例一个group, 并为其设置合适的cpu.shares值
限制 blkio 使用，并打开 Innodb_flush_method=O_DIRECT
使用 device 子系统限制，如果占用空间过大，可以设置group对特定块设备不可写

参考文献

RedHat Cgroup Documents
Blkio 子系统内核参数
Mysql InnoDB IO configuration and flushing
Linux资源管理-IO优先级
A expanded CFQ scheduler for cgroups