2017版：KVM性能优化之CPU优化

2017-04-25 12:59 运维干货阅读 10.3k 评论 0

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前言

任何平台根据场景的不同，都有相应的优化。不一样的硬件环境、网络环境，同样的一个平台，它跑出的效果也肯定不一样。就好比一辆法拉利，在高速公路里跑跟乡村街道跑，速度和激情肯定不同…

所以，我们做运维工作，也是如此。首先你得充分了解你所用的软件平台，然后根据你现有的生产环境去充分的测试，最后得出结果，做最优的调整。

KVM也是一样，首先要做的是充分的了解它，看看有哪些参数和设置我们可以做出调整，最终应用以求发挥最高的性能。

那么KVM的性能调优，我们可以从四个方面入手 —— CPU、内存、磁盘IO、网络。

KVM CPU性能调优

CPU这块我们是针对NUMA这块的调优，那么什么是NUMA呢？NUMA是英文 Non Uniform Memory Access Architecture 的缩写，意思就是非统一内存访问，它是一种解决多CPU共同工作的解决方案。我们知道现在的服务器配置都比较高了，CPU很多都是多路多核的，而且CPU是需要跟存储器进行数据交互的，以往的年代，那时候的CPU运算速率不高，而且都是单CPU模式，那么存储器里的数据要放到CPU里进行运算这是完完全全跟得上的。但是现在的CPU运算速度大大增强了，而且都是多CPU模式，于是就出现了不平衡，那就是存储器里的数据完全不够让CPU消化，并且还会出现多个CPU抢食存储器的情况… 这种情况下CPU就表现得非常的饥渴… 数据不够享用，而且存储器还不够分配。

因此计算机科学家为了提升计算机的性能，就认真的研究了下CPU和存储器之间的协调交互模式。总体核心思想就是寻找一个多CPU模式下，如何让CPU能最大化的“享用”更多来自多个存储器的数据。

于是就设计出了以下几套解决方案：

1.1 SMP技术

最开始是SMP技术，SMP（Symmetric Multi-Processing ）技术就是对称多处理结构，这种结构的最大特点就是CPU共享所有资源，比如总线，内存，IO系统等等。

既然是共享所有的资源，所以，各个CPU之间是平等的关系，然后操作系统管理着这些CPU对资源的访问（通常是用队列的形式去管理）。每个CPU依次的去处理队列中的进程，如果两个CPU同时访问，那么一般是通过软件锁的机制去解决争夺的问题，软件锁这概念跟开发里的线程安全锁机制道理是一样的，当一个CPU处理着一进程，一般会先锁住，处理完再释放。

所以说到这里，这里的对称指的就是CPU之间是平等的无主从，访问资源也是平等的。我们可以看下面这张图：

这个结构是最早出现的方案，但是就是因为最早出现，所以它的弊端很快就显现出来了，那就是它的扩展能力不强。我们看上面这张图就明显感觉到，如果服务器要提升性能增加CPU，那么内存（内存最大化的情况下）就明显不够了，因为是共享模式，多一个CPU就多一个吃内存数据的人… 因此多增加的CPU没法享受到内存的数据，就会停歇，这样就造成了CPU的浪费。

有实验数据表明，SMP型的服务器CPU最好是2-4颗就OK了，多余的就浪费了。

由此可见，这种方式是有缺陷的。。。因此科学家又想到了另外一个结构方案，那就是NUMA。

1.2 NUMA技术

NUMA刚才我们在前面说了是非统一内存访问的意思，它的出现就很好的解决了SMP的扩展问题。有了NUMA技术那么就可以把几十个甚至上百个CPU组合在一个服务器內。

NUMA架构设计图：

从图中我们发现，每个CPU模块之间都是通过互联模块进行连接和信息交互，CPU都是互通互联的，同时，每个CPU模块平均划分为若干个Chip（不多于4个），每个Chip都有自己的内存控制器及内存插槽。

在NUMA中还有三个节点的概念：

本地节点：对于某个节点中的所有CPU，此节点称为本地节点。
邻居节点：与本地节点相邻的节点称为邻居节点。
远端节点：非本地节点或邻居节点的节点，称为远端节点。

邻居节点和远端节点，都称作非本地节点(Off Node)。

这里要注意的是，CPU访问不同类型节点内存的速度是不相同的，访问本地节点的速度最快，访问远端节点的速度最慢，即访问速度与节点的距离有关，距离越远访问速度越慢，此距离称作Node Distance。正是因为有这个特点，所以我们的应用程序要尽量的减少不通CPU模块之间的交互，也就是说，如果你的应用程序能有方法固定在一个CPU模块里，那么你的应用的性能将会有很大的提升。

访问速度：本地节点>邻居节点>远端节点

因此KVM也是一样，我们在CPU优化这块就是要让KVM绑定在指定的CPU上，这样减少跨CPU的交互使用，让KVM的性能提升。现在我们的服务器还有linux操作系统都是默认走NUMA模式，所以我们接下来说说如何去做CPU的绑定。

那么具体如何操作？

1.3 numactl 命令讲解

我们这里用一台真实的物理机演示，这台物理机的是IBM 3650M4。

首先我们用numactl命令查看NUMA的情况，如果你系统没有这个命令，用 yum install numactl 安装下即可。

OK，以上是numactl的详细命令，那么接下来我们先看看当前服务器CPU的numa情况：

我们执行lscpu命令可以查看到一些CPU信息：

我们用numactl –hardware可以查看，如这里我准备了两台IBM的服务器，一个3650M4另外一个是3850M2。

我们可以从命令返回的情况看出，这台服务器numa有2个node（node0和node1)：

我们再看另外一个服务器，这是一台IBM 3850M2，那么它就只有一个node：

通过这个numactl –hardware命令，我们可以看出上面那台机器每个node有81894 MB的内存可以使用（大概79G），而IBM 3850M2这个服务器node有131070MB（120多G）内存可用（基本上是整个服务器的内存）

那么接下来我们可以看下cpu numa的调度分配情况：

我们运行numastat命令可以查到：

3650M4

3850M2

参数解释：

numa_hit 使用本节点内存次数
num_miss 计划使用本节点内存而被调度到其他节点次数
num_foregin 计划使用其他节点内存而使用本地内存次数
interleave_hit 交叉分配使用的内存中使用本节点的内存次数
local_node 在本节点运行的程序使用本节点内存次数
NB other_node 在其他节点运行的程序使用本节点内存次数

接着我们看下这个命令：numastat -c ，这个命令c 后面跟上进程名就能看到相关进程的NUMA内存使用情况。比如：numastat -c qemu-kvm，这样我们就知道了qemu-kvm这个进程，它在node0 和node1上使用的内存大小，单位是MB：

OK 通过这几个命令我们可以查看一些numa的基本状态和使用情况。那么针对CPU Numa技术，linux操作系统本身呢也有自身对这块的设计。拿linux来说，它默认使用的就是NUMA自动平衡策略，也就是说，系统会自动的调配numa的内存使用，以求一个平衡。

当然，这个设置是可以用户自己控制的，如果我们想关闭，直接运行

# echo 0 > /proc/sys/kernel/numa_balancing 即可

# echo 1 > /proc/sys/kernel/numa_balancing 就是开启

1.4 CPU绑定操作

说到这，既然我们的操作系统还有CPU特性都采用了NUMA架构，那么我们完全可以通过调整KVM对应的NUMA关系来达到KVM CPU这方面的优化。这里，我们一般是通过CPU绑定的方法来做相关操作的。

那么具体的操作是怎么样的呢？那么接下来我们通过一个例子来演示。这里是一台物理机，之前我们看过了，现在上面装好了KVM，然后运行着几个虚拟机，我们用 virsh list 命令可以查看到当前运行的虚拟机列表。

比如我们要看这个Win7-ent虚拟机里vCPU对应物理CPU的情况，那么可以运行： # virsh vcpuinfo Win7-ent 可以查看

这个虚拟机是2个vCPU 双核的，然后都是跑在了物理机的CPU8上，使用的时间是2964.6s。最后一个是CPU的亲和性，这个yyyyy 表示的是使用的物理CPU内部的逻辑核，一个y就代表其中一个CPU逻辑核。全部是y ，那么说明这台物理机的24个CPU核，这个CPU都能调度使用。

当然，我们可以进入vrish ，然后运行emulatorpin Win7-ent，通过这个命令我们可以更详细的得到这个虚拟机可以用哪几个核：

我们可以看到目前这个虚拟机0-23的CPU它都能调度使用

那么以上就是查看虚拟机CPU NUMA调度的信息，如果我们要把虚拟机绑定到固定的CPU上，我们就要做以下操作： # virsh emulatorpin Win7-ent 18-23 –live 通过这个命令，我们把这个win7的虚拟机vCPU绑定在了18-23这6个CPU之间的核上。

我们用命令查看下 emulatorpin Win7-ent

我们也可以用virsh dumpxml Win7-ent 查看确认：

这是让虚拟机里的vCPU一起绑定的方法。

那么有的人会疑问，一个虚拟机我有两个vCPU, 比如这个win7 ，它就是双核的，我想让里面的vCPU1和vCPU2分别绑定在不同的物理CPU上可以吗？怎么操作呢？这也是可以的，我们通过下面的方法可以进行相关的vCPU分别绑定

# virsh vcpupin Win7-ent 0 22

# virsh vcpupin Win7-ent 1 23

# virsh dumpxml Win7-ent

# virsh vcpuinfo Win7-ent

OK，这里要注意的是，你把虚拟机用reboot重启，这个绑定配置还是生效的，但是你shutdown的话，CPU绑定的效果会失效。我们要让VM关机然后起来也生效，就必须把参数写入到虚拟机的XML里，然后保存，这样关机了也不会失效，这里要注意下

OK，以上就是CPU绑定技术的操作。通过这样的操作，我们可以在一台多CPU的物理机上固定几个CPU给虚拟机用。当然，至于为什么可以这样做，前面我们提到了关于NUMA的原理，如果固定了虚拟机的CPU，那么它就不会去找远端节点了，另外就是有些场景下，一物理机多个CPU，如果前面几个CPU负载很高，利用率大，后面几个CPU利用率低，那么我们可以协调下，做CPU的绑定，平衡下CPU的负载。

以上是CPU的绑定，接下来我们讲讲CPU的热添加。