在centos7的/sys/fs/cgroup下面可以看到与cpu相关的有cpu，cpuacct和cpuset 3个subsystem。cpu用于对cpu使用率的划分；cpuset用于设置cpu的亲和性等，主要用于numa架构的os；cpuacct记录了cpu的部分信息。对cpu资源的设置可以从2个维度考察：cpu使用百分比和cpu核数目。前者使用cpu subsystem进行配置，后者使用cpuset subsystem进程配置。首先看cpu subsystem的用法
cpu subsystem
cgroup使用如下2种方式来对cpu进行调度
- 完全公平调度程序（CFS）：按照比例进行cpu分配调度，具体实现可以参考CFS
- 实时调度程序（RT）：与CFS类似，用于限制实时任务对cpu的获取，一般用不到。(注：Linux的进程分普通进程和实时进程，实时进程比普通进程的优先级高，由于其在进程死亡之前始终是活动进程，故占用cpu资源大)
cpu subsystem主要涉及5接口:cpu.cfs_period_us，cpu.cfs_quota_us，cpu.shares，cpu.rt_period_us，cpu.rt_runtime_us
cfs_quota_us为-1，表示使用的CPU不受cgroup限制。cfs_quota_us的最小值为1ms(1000)，最大值为1s，参见CFS Bandwidth Control
cpu.cfs_period_us用于设置cpu带宽(bandwidth)，单位为微秒us。cpu.cfs_quota_us设置cpu.cfs_period_us周期内cgroup可使用的cpu。多核场景下，如配置cpu.cfs_period_us=10000，而cfs_quota_us=20000，表示该cgroup可以完全使用2个cpu。较大的cfs_period_us可以提高吞吐量(可以为CPU密集型任务提供更多运行时间)。cfs_period_us表示一个CPU的宽度，系统上可用的总的CPU宽度为：(cpus on the host) * (cpu.cfs_period_us)。当出现如下条件时，cpu.stat中的nr_throttled统计会+1。
- 周期(period)内使用的CPU达到quota的CPU
- 父cgroup中使用的CPU达到其quota的CPU
首先在/sys/fs/cgroup/cpu下面新建一个cgroup，将cpu周期设置为100000，cgroup在单个周期中占用时长为50000，即单个cpu的50%
# cat cpu.cfs_period_us # echo > cpu.cfs_quota_us
# bash
# cat tasks
# echo $$ # echo $$ > cgroup.procs
# while true; do a=a+1;done
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 50.3 0.4 :19.75 bash
下例中将cpu周期设置为100000，cgroup在单个周期中占用时长为300000，即该cgroup可以完全占用3个cpu(当前环境4 cpu)。
启动一个bash执行while true; do a=a+1;done并将该进程加入到cgroup.procs，使用top命令可以看到1个cpu使用率已经达到100%
top - :: up :, users, load average: 3.21, 2.03, 0.95
Tasks: total, running, sleeping, stopped, zombie
%Cpu0 : 0.3 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 99.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu2 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu3 : 0.0 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 99.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : total, free, used, buff/cache
KiB Swap: total, free, used. avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 99.7 0.4 :41.19 bash
(新shell中)再启动一个bash执行while true; do a=a+1;done，将该进程加入到cgroup.procs，使用top命令可以看到2个cpu使用率已经达到100%
top - :: up :, users, load average: 1.42, 1.65, 0.98
Tasks: total, running, sleeping, stopped, zombie
%Cpu0 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu2 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu3 : 0.3 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 99.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : total, free, used, buff/cache
KiB Swap: total, free, used. avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 100.0 0.4 :26.67 bash
root R 100.0 0.4 :22.60 bash
(新shell中)再启动一个bash执行while true; do a=a+1;done，将该进程加入到cgroup.procs，使用top命令可以看到3个cpu使用率已经达到100%
top - :: up :, users, load average: 2.28, 1.88, 1.18
Tasks: total, running, sleeping, stopped, zombie
%Cpu0 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu2 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu3 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : total, free, used, buff/cache
KiB Swap: total, free, used. avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 100.0 0.4 :29.10 bash
root R 99.7 0.4 :33.12 bash
root R 99.7 0.3 :30.04 bash
(新shell中)再启动一个bash执行while true; do a=a+1;done，将该进程加入到cgroup.procs，此时有4个进程同时消耗cpu，但总体消耗限制在3个cpu，如下图中，每个bash消耗的cpu约75%
top - :: up :, users, load average: 2.95, 2.12, 1.30
Tasks: total, running, sleeping, stopped, zombie
%Cpu0 : 74.8 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 25.2 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 : 74.8 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 25.2 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu2 : 74.2 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 25.8 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu3 : 75.7 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 24.3 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : total, free, used, buff/cache
KiB Swap: total, free, used. avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 75.7 0.3 :16.76 bash
root R 74.8 0.4 :15.67 bash
root R 74.1 0.4 :19.74 bash
root R 74.1 0.3 :41.05 bash
cpu.cfs_quota_us和cpu.cfs_period_us以绝对比例限制cgroup的cpu，而cpu.shares以相对比例限制cgroup的cpu。
在/sys/fs/cgroup/cpu/下创建2个cgroup：test1和test2，设置test1的cpu.shares=50，test2的cpu.shares=200，则意味着test1在cpu竞争下最多可以使用所有cpu的20%，而test2在cpu竞争下最多可以使用所有cpu的80%(不考虑系统基本进程占用)。为方便验证，将系统的cpu设置为1个。创建2个bash进程分别加入2个cgroup后执行while true; do a=a+1;done
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 80.0 0.4 :16.77 bash
root R 20.0 0.4 :09.73 bash
使用cpu.shares需要注意的是，对cpu的相对比例是在cpu竞争的条件下，如果一个cgroup使用的相对比例是50%，但实际仅使用了10%，那么多余的cpu会被回收，给其他cgroup使用，参见CPU
当一个 cgroup 中的任务处于闲置状态且不使用任何 CPU 时间时，剩余的时间会被收集到未使用的 CPU 循环全局池中。其它 cgroup 可以从这个池中借用 CPU 循环
下例中test1 cgroup设定50，test2 cgroup设定200，但test1中运行的进程非常消耗cpu，而test2中运行的进程仅使用很小一部分cpu，且sleep操作会导致其进程进入sleep状态
Test1 cgroup
# echo $$ [root@ test1]# cat cpu.shares [root@ test1]# while true; do a=a+;done Test2 cgroup
# echo $$ [root@ test2]# cat cpu.shares [root@ test2]# while true; do sleep ;done
查看cpu占用，可以看到test1中的进程占用了99.3%的cpu，而其相对比例为20%
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 99.3 0.4 :32.48 bash
cpuset subsystem
cpuset主要是为了NUMA(非均匀访问存储模型)使用的，NUMA技术将CPU划分成不同的组（Node)，每个Node由多个CPU组成，并且有独立的本地内存、I/O等资源(硬件上保证)。可以使用numactl查看当前系统的node清空，如下面表示系统只有一个node，含cpu 0-3，内存大小约1G
# numactl -H
available: nodes ()
node cpus:
node size: MB
node free: MB
node distances:
node
:
可以使用dmesg | grep -i numa命令查看当前系统是否开启了numa下·
numa的基本架构如下，当cpu访问直接attach的内存时(local access)时会有较大效率，而访问其他cpu attach的内存(remote access)会导致效率下降。
Numa内存分配策略有一下四种，一般采用默认方式
- 缺省default:总是在本地节点分配(当前进程运行的节点上)。
- 绑定bind:强制分配到指定节点上。
- 交叉interleavel:在所有节点或者指定节点上交叉分配内存。
- 优先preferred:在指定节点上分配，失败则在其他节点上分配。
numa场景下可能会出现一个性能问题，NUMA架构的CPU，The MySQL “swap insanity” problem and the effects of the NUMA architecture和A brief update on NUMA and MySQL。发生性能的主要原因是因为more策略下可能会发生swap，即总是在本地节点分配内存，当本地内存不足时会发生swap，可以尝试使用如下方式进行
- 设置numa interleave=all，意味着整个进程的内存是均匀分布在所有的node之上，进程可以以最快的方式访问本地内存
- 使用mlock方式申请内存，这样这段内存不会使用swap
- 使用mmap的MAP_POPULATE，预先分配匿名页，后续访问此内存时不会发生缺页
- 调节系统的vm.swappiness，对于数据库应用服务器，设置为0，可以提高物理内存的使用率，进而提高数据库服务的响应性能
默认方式下，进程总是使用本地节点进程内存分配，可以使用numastat查看内存分配情况
# numastat
node0
numa_hit
numa_miss
numa_foreign
interleave_hit
local_node
other_node
cpuset调用sched_setaffinity来设置进程的cpu亲和性，调用mbind和set_mempolicy来设置内存的亲和性。可以通过查看/proc/$pid/status查看当前进程cpu和mem的亲和性。cpuset使用中应该遵循以下3点
- 子cpuset的cpu和memory node必须是父cgoup的子集
- 除非父cgroup标记了exclusive，否则子cgoup无法标记该flag
- 如果cgroup的cpu或memory标记了exclusive，那么该cgroup的cpu不能与兄弟cgroup有重合，且父子之间必须重合(参见第一条)
如下例中，在/sys/fs/cgroup/cpuset中创建2个cgroup，按照如下步骤，可以看出，当test1和test2有重合时，设置cpuset失败
# rmdir test1
[root@ cpuset]# mkdir test1
[root@ cpuset]# mkdir test2
[root@ cpuset]# echo > test1/cpuset.cpu_exclusive
[root@ cpuset]# echo > test2/cpuset.cpu_exclusive
[root@ cpuset]# echo , > test1/cpuset.cpus
[root@ cpuset]# echo , > test2/cpuset.cpus
-bash: echo: write error: Invalid argument
[root@ cpuset]# echo > test2/cpuset.cpus
cpuset.cpu_exclusive：包含标签（0 或者 1），它可以指定：其它 cpuset 及其父、子 cpuset 是否可共享该 cpuset 的特定 CPU。默认情况下（0），CPU 不会专门分配给某个 cpuset 。
上面介绍了设置该标志后兄弟cpuset之间的cpuset.cpus不能有重合，但父子cpuset之间是必须重合的。cpu_exclusive标记并不能实现完全的cpu隔离(不隶属于cgroup管辖的进程默认拥有所有的cpu权限)，如下例中启动了6个消耗cpu的bash进程，仅对其中一个bash进程进行了cpuset的exclusive，可以看到exclusive并不能保证cpu的隔离，只用于保证不于其他兄弟cpuset定义的cpus重叠。核隔离可以使用内核启动参数isolcpus，隔离的cpu不会对其进行负载均衡操作。
Tasks: total, running, sleeping, stopped, zombie
%Cpu0 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu2 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu3 : 99.7 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : total, free, used, buff/cache
KiB Swap: total, free, used. avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 86.0 0.3 :27.86 bash
root R 66.4 0.3 :57.41 bash
root R 66.4 0.3 :11.07 bash
root R 66.1 0.4 :23.12 bash
root R 62.5 0.3 :38.89 bash
root R 52.2 0.4 :57.57 bash
cpuset.memory_spread_page用于设定文件系统缓冲是否应在该 cpuset 的内存节点中均匀分布，cpuset.memory_spread_slab用于设定slab缓冲(如inode和dentries)是否应在该 cpuset 的内存节点中均匀分布，默认否。该策略在将(大的)数据文件分布到多个node时可以提升性能（平均分布）。
cpuset.sched_load_balance和cpuset.sched_relax_domain_level与cpu负载均衡有关。linux使用sched domains(调度域)为单位进行负载均衡。当sched_load_balance设置为enable时，会在该cpuset中的cpu上进行负载均衡，否则不会在该cpuset中的cpu上进行负载均衡(不同cpuset中重叠的cpu上可能也会有负载均衡)。当root cpuset的sched_load_balance为enable时，会在所有的cpu上进行负载均衡，此时会忽略所有子cpuset中对该值的设置，因此只有在root cpuset disable之后，子cpuset才能生效。cpu负载均衡会影响系统性能，在以下两种情况下可以不需要该功能：
- 大型系统中存在很多cpu，如果对单独进程分配了独立的cpu，此时无需使用cpu负载均衡
- 实时系统上需要减少cpu的损耗，此时可以不适用负载均衡
cpuset.sched_relax_domain_level表示 kernel 应尝试平衡负载的 CPU 宽度范围，仅当cpuset.sched_load_balance enable时生效。一般无需改动。
cpuset.memory_migrate包含一个标签（0 或者 1），用来指定当 cpuset.mems 的值更改时，是否应该将内存中的页迁移到新节点。
总结：
使用cpu subsystem可以在cpu时间上限制进程，而使用cpuset可以在cpu/mem number上限制进程。但如果cpu和cpuset不匹配时应该如何处理？如下例中，在cpuset中限制该cgroup中的进程只能运行在2号核上，但在cpu中该cgroup的进程最多可以使用2个核
# mkdir cpuset/cpusettest
# mkdir cpu/cputest # cd cpuset/cpusettest
# echo > cpuset.mems
# echo > cpuset.cpus # cd cpu/cputest
# echo > cpu.cfs_period_us
# echo > cpu.cfs_quota_us
启动3个bash执行while true; do a=a+1;done，并将其pid加入到cpu和cpuset的cgroup.procs中，观察top命令可以看到3个bash进程仅占用了2号核，每个cpu占用率都约等于33%。由此可知，cpu中规定了进程可以使用的cpu的上限，但并不一定能达到上限
%Cpu0 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu2 :100.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu3 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : total, free, used, buff/cache
KiB Swap: total, free, used. avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
root R 33.9 0.4 :19.03 bash
root R 33.2 0.3 :58.17 bash
root R 33.2 0.3 :05.08 bash
TIPS:
- 在设置cpuset时必须首先设置cpuset.cpus和cpuset.mems，否则可能出现"No space left on device"的错误
- 可以使用docker inspect DOCKERID来查看该容器挂载的cgroup路径
参考：