KVM性能优化--CPU篇

http://bbs.qy.com.cn/thread-1111-1-1.html

一、 NUMA
1. NUMA 介绍
    早期的时候，每台服务器都是单CPU，随着技术的发展，出现了多CPU共同工作的需求。
    NUMA(Non-Uniform Memory Access，非一致性内存访问)和SMP(Symmetric Multi-Processor，对称多处理器系统)是两种不同的解决多CPU共同工作的硬件体系架构。
    SMP的主要特征是共享，所有的CPU共享使用全部资源，例如内存、总线和I/O，多个CPU对称工作，彼此之间没有主次之分，平等地访问共享的资源，这样势必引入资源的竞争问题，从而导致它的扩展内力非常有限。
   
    NUMA技术将CPU划分成不同的组（Node)，每个Node由一个或多个（物理）CPU组成，并且有独立的本地内存、I/O等资源。Node之间通过互联模块连接和沟通，因此除了本地内存外，每个CPU仍可以访问远端Node的内存，只不过效率会比访问本地内存差一些。（我们用Node之间的距离Distance来定义各个Node之间互访资源的开销。）所以，NUMA调优的目的是让处理器尽量访问自己的存储器，以提高处理速度。


NUMA支持的软硬件要求：
硬件方面，英特尔从Xeon（至强）5500 处理器开始采用NUMA架构。
软件方面，Windows Server 2003 和Windows XP 64-bit Edition, Windows XP等都是NUMA aware的，而Windows Vista/7/2008 Server则有了对Numa调度的支持。所有使用2.6版本以上kernel的Linux操作系统都能够支持NUMA。而Solaris，HP-Unix等UNIX操作系统也是充分支持NUMA架构的。对于数据库来说，SQL Server 2005 开始支持NUMA的支持。

Linux下，使用命令numactl --hardware 查看当前物理CPU的numa情况：

1. [root@qycn46 ~]# numactl --hardware
   
2. available: 2 nodes (0-1)                 # 本服务器有两个node,分别为node0 和 node1
   
3. node 0 cpus: 0 1 2 3                       # node 0 包含的CPU
   
4. node 0 size: 16375 MB                   # node 0 的内存16G
   
5. node 0 free: 2616 MB                    
   
6. node 1 cpus: 4 5 6 7                       # node 1 包含的CPU
   
7. node 1 size: 16384 MB                   # node 1 的内存16G
   
8. node 1 free: 2118 MB
   
9. node distances:
   
10. node   0   1
    
11.   0:  10  21                                            # node内访问内存的distance是10，跨node访问的distance为21
    
12.   1:  21  10                                            # 远端访问的开销是本地访问的2.1倍
    
13. [root@qycn46 ~]#

复制代码

2. CPU Topology
    在NUMA架构下，CPU的概念从大到小依次是：Node、Socket、Core、Processor。
    随着多核技术的发展，我们将多个CPU封装在一起，这个封装一般被称为Socket（插槽），而Socket中的每个核心被称为Core。为了进一步提升CPU的处理能力，Intel又引入了HT（Hyper-Threading，超线程)的技术，一个Core打开HT之后，在OS看来就是两个核，当然这个核是逻辑上的概念，所以也被称为Logical Processor，本文简称为Processor。
    综上所述，一个NUMA Node可以有一个或者多个Socket，一个多核Socket显然包含多个Core，一个Core如果打开HT则变成两个Logical Processor。
    Linux中，CPU的Socket, Core, Processor 信息都可以通过 /proc/cpuinfo 文档查询，这里列出实验物理机的cpu特性如下：

3. NUMA调度优化
查看虚拟机的NUMA配置

1. [root@qycn46 ~]# virsh list --all
   
2. Id Name State
   
3. ----------------------------------------------------
   
4. 3 VM3 running
   
5. 16 test running
   
6. - VM1 shut off
   
7. 
   
8. [root@qycn46 ~]# virsh numatune test
   
9. numa_mode : strict
   
10. numa_nodeset : 0-1
    
11. 
    
12. [root@qycn46 ~]#

复制代码

输出结果显示，该虚拟机test VCPU限定在node0-1内。（但前面已经看到，宿主机本就只有两个node，所以这里相当于没有限制。）虚拟机配置文件相应部分如下：

这里需要注意，如果 设置了placement='auto'，则的placement 也应为auto，如下图所示。

可以使用以下命令来设置将虚拟机绑定到指定node。

1. virsh numatune domain --nodeset 'string'

复制代码

举个列子：将上面的虚拟机test（6核），限定在Node0和1中，使用物理机六个CPU1,2,3,4,6,7。
（注：本例中由于一个socket仅有4个CPU，不能满足虚拟机 test的需求，所以例子对NUMA性能并没有改善，但这里的重点是示范操作过程。)
a. 先观察未做NUMA设置之前，虚拟机test对物理机CPU的使用情况：

b. virsh numatune test --nodeset '0-1'
c. 打开虚拟机配置文件，在 部分添加 cpuset='1-7,^5'

d. 重启虚拟机（不知道怎样不重启就立即生效，后续再研究。。。），再次查看虚拟机CPU情况：

可以发现，设置后，虚拟机vcpu仅运行在物理机CPU1-4和6-7中。
（ 假如本例中的服务器CPU支持超线程，则一个socket就有8个CPU，这样，我们就可以将虚拟机test的6核限定在一个socket（一个Node)内，使用最小的distance10开销，这样就提高了效率。）
什么是 CPU Affinity (处理器亲和性）？
    进程的处理器亲和性，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。
    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，如破坏了系统对各CPU的负载均衡，这有可能会导致整个系统的进程调度变得低效。
    对虚拟机 中的cpuset做配置，会体现在CPU Affinity中。


二、 虚拟机VCPU的绑定
CPU绑定规则：
    从大的范围来看，虚拟机所有的VCPU应尽可能在同一个Node内，减少内存访问开销。细化下来，对于物理 CPU，同一个 core 的 threads 共享 L2 Cache，同一个 socket 的 cores 共享 L3 cache，所以虚拟机的 VCPU 也应当尽可能在同一个 core 和 同一个 socket 中，增加 cache 的命中率，从而提高性能。所以，具体的绑定策略，应该根据宿主机物理CPU特性和虚拟机VCPU个数来定。
(1) VCPU个数不大于2个，且物理机CPU支持超线程，则可以将VCPU绑定到同一个core内。
(2) VCPU个数不大于物理机一个Socket的总逻辑Processor个数，则可以将VCPU绑定到同一个Socket中。
(3) VCPU个数不大于物理机一个Node的总逻辑Processor个数，则可以将VCPU绑定到同一个Node中。
(4) 根据实际情况，物理机某Processor使用率很高导致虚拟机很卡，则可及时将虚拟机绑定到物理机其他较空闲的Processor。

CPU在线绑定方法：
1. 区域绑定
（注意：继续下面的实验前，请先取消上面的NUMA设置及对中cpuset的设置，否则下面的设置将不生效。）
Emulator标签可以为虚拟机指定物理机的任意逻辑Processor, 下面的指令可以 在线调整CPU绑定情况。

1. virsh emulatorpin domain 'string'

复制代码

a. 设置前，先观察当前虚拟机对物理机CPU的使用情况：

b. 修改emulator的设置 virsh emulatorpin test '1-4,6-7'，再查看虚拟机VCPU状态

由上图发现，emulator的设置似乎没有生效，因为VCPU3竟然运行在物理机CPU5上，而CPU5在上面的设置中是排除了的。
还需继续实验验证是哪里的问题。   ？？？？？
c. 查看emulatorpin的在xml文件中的表现形式：

（内存中的xml文件[virsh dumpxml domain]已经更改，但virsh edit domain 查看配置文件还未改变，所以每次通过指令virsh emulatorpin变更CPU绑定后，都需要将内存中的设置copy到xml中并保存。）

2. 一对一绑定
可以使用 virsh vcpupin 指令强制VCPU与物理逻辑Processor一对一绑定，具体指令如下：

1. virsh vcpupin domain vcpu# Processor#

复制代码

比如，上面我们已经将虚拟机VCPU限定在物理Processor1,2,3,4,6和7中，现在更进一步，将VCPU与前面的物理Processor按顺序一一绑定：

1. virsh vcpupin test 0 1
   
2. virsh vcpupin test 1 2
   
3. virsh vcpupin test 2 3
   
4. virsh vcpupin test 3 4
   
5. virsh vcpupin test 4 6
   
6. virsh vcpupin test 5 7

复制代码

然后通过virsh vcpuinfo test 来查看一下虚拟机VCPU情况：

查看一下vcpupin设置在xml文件中的表现形式：

（同样的，内存中的xml文件[virsh dumpxml domain]已经更改，但virsh edit domain 查看配置文件还未改变，所以每次通过指令virsh vcpupin变更CPU绑定后，都需要将内存中的设置copy到xml中并保存。）


三、 虚拟机多VCPU的设定方法
可参考 KVM虚拟机操作常见问题 的第一条


四、在线添加CPU
(1) 在创建CPU的时候，设置maxvcpu参数，且当前vcpu数量小于maxvcpu数量，即可使用

1. virsh setvcpus domain cpunum# --live

复制代码

如图，虚拟机tst当前CPU个数为3，设置后，CPU数目动态变为4个。

查看该配置在xml 中的表现形式：

（同样的，内存中的xml文件[virsh dumpxml domain]已经更改，但virsh edit domain 查看配置文件还未改变，所以每次通过指令virsh setvcpus变更CPU数量后，都需要将内存中的设置中的current 数量修改到xml中并保存。）

(2) 也可以直接按上图所示格式修改虚拟机的配置文件xml。
a. 在 内添加currrent 参数，后接虚拟机当前VCPU数量(也可以为希望调整的VCPU数量），两个尖括号中间的值为最大VCPU数量（需不小于current数量）。
b. 重启虚拟机，此时最大VCPU的设置生效。
c. 后续若需要再次调整CPU数目，使用virsh setvcpus tst # --live 即可。

注意：centos6.7 系统的宿主机和虚拟机上，可在最大VCPU范围内随意更改VCPU个数，但是在centos7.1 系统的宿主机和虚拟机上，VCPU个数只能增加，不能减少。
综上所述，如果想在线添加VCPU数量，还是要未雨绸缪，在创建虚拟机时就先设置好 maxvcpu 参数，这样后面修改时才不必重启虚拟机。