控制节点上的 CPU 管理策略
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控制节点上的 CPU 管理策略

特性状态： Kubernetes v1.26 [stable]

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。

有关资源管理的详细信息，请参阅 Pod 和容器的资源管理文档。

准备开始

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，且必须配置 kubectl 命令行工具让其与你的集群通信。建议运行本教程的集群至少有两个节点，且这两个节点不能作为控制平面主机。如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一个你自己的集群，或者你可以使用下面的 Kubernetes 练习环境之一：

你的 Kubernetes 服务器版本必须不低于版本 v1.26. 要获知版本信息，请输入 kubectl version.

如果你正在运行一个旧版本的 Kubernetes，请参阅与该版本对应的文档。

CPU 管理策略

默认情况下，kubelet 使用 CFS 配额来执行 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 中的 cpuManagerPolicy 字段来指定。支持两种策略：

none：默认策略。
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。如果你禁用 CPUManagerPolicyOptions 特性门控，则你不能微调 CPU 管理器策略。这种情况下，CPU 管理器仅使用其默认设置运行。

除了顶级的 CPUManagerPolicyOptions 特性门控，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：

腾空节点。
停止 kubelet。
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。
编辑 kubelet 配置以将 CPU 管理器策略更改为所需的值。
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 和 Burstable Pods 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 控制器来实现的。

说明：

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。

说明：

CPU 管理器不支持运行时下线和上线 CPU。此外，如果节点上的在线 CPU 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。

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。

说明：

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。

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：

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx

上例的 Pod 属于 BestEffort QoS 类，因为其未指定 requests 或 limits 值。所以该容器运行在共享 CPU 池中。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
      requests:
        memory: "100Mi"

上例的 Pod 属于 Burstable QoS 类，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。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"
      requests:
        memory: "100Mi"
        cpu: "1"

上例的 Pod 属于 Burstable QoS 类，因为其资源 requests 不等于 limits。所以该容器运行在共享 CPU 池中。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"

上例的 Pod 属于 Guaranteed QoS 类，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。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "1.5"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "1.5"

上例的 Pod 属于 Guaranteed QoS 类，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。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"

上例的 Pod 属于 Guaranteed QoS 类，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）（1.22 或更高版本）
distribute-cpus-across-numa（Alpha，默认隐藏）（1.23 或更高版本）
align-by-socket（Alpha，默认隐藏）（1.25 或更高版本）
distribute-cpus-across-cores (Alpha，默认隐藏) (1.31 或更高版本)

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。

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。

如果指定了 align-by-socket 策略选项，那么在决定如何分配 CPU 给容器时，CPU 将被视为在 CPU 的插槽边界对齐。默认情况下，CPUManager 在 NUMA 边界对齐 CPU 分配，如果需要从多个 NUMA 节点提取出 CPU 以满足分配，将可能会导致系统性能下降。尽管该默认策略试图确保从 NUMA 节点的最小数量分配所有 CPU，但不能保证这些 NUMA 节点将位于同一个 CPU 的插槽上。通过指示 CPUManager 在 CPU 的插槽边界而不是 NUMA 边界显式对齐 CPU，我们能够避免此类问题。注意，此策略选项不兼容 TopologyManager 与 single-numa-node 策略，并且不适用于 CPU 的插槽数量大于 NUMA 节点数量的硬件。

如果指定了 distribute-cpus-across-cores 策略选项，静态策略将尝试将虚拟核（硬件线程）分配到不同的物理核上。默认情况下， CPUManager 倾向于将 CPU 打包到尽可能少的物理核上，这可能导致同一物理核上的 CPU 争用，从而导致性能瓶颈。启用 distribute-cpus-across-cores 策略后，静态策略将确保 CPU 尽可能分布在多个物理核上，从而减少同一物理核上的争用，提升整体性能。然而，需要注意的是，当系统负载较重时，这一策略的效果可能会减弱。在这种情况下，减少争用的好处会减少。相反，默认行为可以帮助减少跨核的通信开销，在高负载条件下可能会提供更好的性能。

可以通过将 full-pcpus-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。可以通过将 align-by-socket=true 添加到 CPUManager 策略选项来启用 align-by-socket 策略选项。同样，也能够将 distribute-cpus-across-numa=true 添加到 full-pcpus-only 和 distribute-cpus-across-numa 策略选项中。

可以通过将 distribute-cpus-across-cores=true 添加到 CPUManager 策略选项中来启用 distribute-cpus-across-cores 选项。当前，该选项不能与 full-pcpus-only 或 distribute-cpus-across-numa 策略选项同时使用。