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CPU Burst有副作用嗎？讓數(shù)學(xué)來(lái)回答！| 龍蜥技術(shù)

時(shí)間：2021-09-23 15:42:09
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[導(dǎo)讀]編者按：CPUBurst特性已合入Linux5.14，AnolisOS8.2、AlibabaCloudLinux2、AlibabaCloudLinux3也都支持CPUBurst特性。在系列文章的上篇中，我們討論了讓人討厭的CPU限流，它會(huì)影響運(yùn)行在容器中的應(yīng)用的一些關(guān)鍵指標(biāo)。為了...

編者按：CPU Burst 特性已合入 Linux 5.14，Anolis OS 8.2、Alibaba Cloud Linux2、Alibaba Cloud Linux3也都支持CPU Burst特性。


在系列文章的上篇中，我們討論了讓人討厭的 CPU 限流，它會(huì)影響運(yùn)行在容器中的應(yīng)用的一些關(guān)鍵指標(biāo)。為了避免限流的出現(xiàn)，有時(shí)我們不得不犧牲容器部署密度，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)的產(chǎn)生。在解決方案部分，我們也介紹了新的CPU Burst 技術(shù)，通過(guò)這一技術(shù)，我們既能保證容器運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量，又不降低容器部署密度。聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)像個(gè)銀彈?。磕敲?，使用CPU Burst的副作用是什么？是否有不適用的場(chǎng)景呢？為了回答這個(gè)問(wèn)題，本文將介紹CPU Burst打破的調(diào)度保證，以及CPU Burst影響評(píng)估。盡管這些CPU突發(fā)的使用造成的CPU使用差異在CPU利用率上很多時(shí)候不明顯，但是我們?nèi)匀魂P(guān)心這種改變的影響。當(dāng)然，結(jié)論是明確的：CPU Burst的負(fù)面影響完全可以忽略。僅在CPU利用率高達(dá)70%的環(huán)境里CPU Burst開(kāi)始影響關(guān)鍵指標(biāo)，而我相信大家日常生產(chǎn)環(huán)境的CPU利用率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)水平。
CPU Bandwidth Controller的保證
使用CPU Bandwidth Controller可以避免某些進(jìn)程消耗過(guò)多CPU時(shí)間，并確保所有需要CPU的進(jìn)程都拿到足夠的CPU時(shí)間。之所以有這樣好的穩(wěn)定性保證，是因?yàn)楫?dāng)Bandwidth Controller設(shè)置滿足時(shí)，有如下的調(diào)度穩(wěn)定性約束：



其中是第i個(gè)cgroup的quota，是一個(gè)period內(nèi)該cgroup的CPU需求。Bandwidth Controller對(duì)每個(gè)周期分別做CPU時(shí)間統(tǒng)計(jì)，調(diào)度穩(wěn)定性約束保證在一個(gè)period內(nèi)提交的全部任務(wù)都能在該周期內(nèi)處理完；對(duì)每個(gè)CPU cgroup而言，這意味著任何時(shí)候提交的任務(wù)都能在一個(gè)period內(nèi)執(zhí)行完，即任務(wù)實(shí)時(shí)性約束：


不管任務(wù)優(yōu)先級(jí)如何，最壞情況下任務(wù)執(zhí)行時(shí)間（WCET, Worst-Case Execution Time）不超過(guò)一個(gè)period。假如持續(xù)出現(xiàn)調(diào)度器穩(wěn)定性被打破，在每個(gè)period都有任務(wù)積攢下來(lái)，新提交的作業(yè)執(zhí)行時(shí)間不斷增加。


使用CPU Burst的影響
出于改善服務(wù)質(zhì)量的需要，我們使用CPU Burst允許突發(fā)的CPU使用之后，對(duì)調(diào)度器的穩(wěn)定性產(chǎn)生什么影響？答案是當(dāng)多個(gè)cgroup同時(shí)突發(fā)使用CPU，調(diào)度器穩(wěn)定性約束和任務(wù)實(shí)時(shí)性保證有可能被打破。這時(shí)候兩個(gè)約束得到保證的概率是關(guān)鍵，如果兩個(gè)約束得到保證的概率很高，對(duì)大多數(shù)周期來(lái)任務(wù)實(shí)時(shí)性都得到保證，可以放心大膽使用CPU Burst；如果任務(wù)實(shí)時(shí)性得到保證的概率很低，這時(shí)候要改善服務(wù)質(zhì)量不能直接使用CPU Burst，應(yīng)該先降低部署密度提高CPU資源配置。于是下一個(gè)關(guān)心的問(wèn)題是，怎么計(jì)算特定場(chǎng)景下兩個(gè)約束被打破的概率。
評(píng)估影響大小
定量計(jì)算可以定義成經(jīng)典的排隊(duì)論問(wèn)題，并且用蒙特卡洛模擬方法求解。定量計(jì)算的結(jié)果表明，判斷當(dāng)前場(chǎng)景是否可以使用CPU Burst的主要影響因素是平均CPU利用率和cgroup數(shù)目。CPU利用率越低，或者cgroup數(shù)目越多，兩個(gè)約束越不容易被打破可以放心使用CPU Burst。反之如果CPU利用率很高或者cgroup數(shù)目較少，要消除CPU限流對(duì)進(jìn)程執(zhí)行的影響，應(yīng)該降低部署提高配置再使用CPU Burst。問(wèn)題定義是：一共有m個(gè)cgroup，每個(gè)cgroup的quota限制為1/m，每個(gè)cgroup在每個(gè)周期產(chǎn)生的計(jì)算需求（CPU利用率）服從某個(gè)具體分布，這些分布是相互獨(dú)立的。假設(shè)任務(wù)在每個(gè)周期的開(kāi)始到達(dá)，如果該周期內(nèi)的CPU需求超過(guò)100%，當(dāng)前周期任務(wù)WCET超過(guò)1個(gè)period，超過(guò)的部分累積下來(lái)和下個(gè)周期新產(chǎn)生的CPU需求一起在下個(gè)需求處理。輸入是cgroup的數(shù)目m和每個(gè)CPU需求滿足的具體分布，輸出是每個(gè)周期結(jié)束WCET > period的概率和WCET期望。使用蒙特卡洛模擬求解過(guò)程省略，詳細(xì)請(qǐng)關(guān)注后續(xù)系列文章。以輸入的CPU需求為帕累托分布、m=10/20/30的結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明。選擇帕累托分布進(jìn)行說(shuō)明的原因是它產(chǎn)生比較多的長(zhǎng)尾CPU突發(fā)使用，容易產(chǎn)生較大影響。表格中數(shù)據(jù)項(xiàng)的格式為，其中越接近1越好，概率越低越好。
u_avg


m=10


m=20


m=30



10%


1.0000/0.00%


1.0000/0.00%


1.0000/0.00%


30%


1.0000/0.00% 1.0000/0.00% 1.0000/0.00%


50%


1.0003/0.03% 1.0000/0.00% 1.0000/0.00%


70%


1.0077/0.66% 1.0013/0.12% 1.0004/0.04%


90%


1.4061/19.35% 1.1626/10.61% 1.0867/6.52%
結(jié)果跟直覺(jué)是吻合的。一方面，CPU需求（CPU利用率）越高，CPU突發(fā)越容易打破穩(wěn)定性約束，造成任務(wù)WCET期望變長(zhǎng)。另一方面，CPU需求獨(dú)立分布的cgroup數(shù)目越多，它們同時(shí)產(chǎn)生CPU突發(fā)需求的可能性越低，調(diào)度器穩(wěn)定性約束越容易保持，WCET的期望越接近1個(gè)period。


后續(xù)
看完本文相信您對(duì)CPU Burst的影響已經(jīng)有了定性了解。如果希望對(duì)評(píng)估方法有更多了解，請(qǐng)期待系列文章的下篇。關(guān)于作者


常懷鑫（一齋），阿里云內(nèi)核組工程師，擅長(zhǎng)CPU調(diào)度領(lǐng)域。


丁天琛(鷹羽)，2021年加入阿里云內(nèi)核組，目前在調(diào)度領(lǐng)域等方面學(xué)習(xí)研究——完——




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