4. CPU 控制器详解：cpu.weight、cpu.max、cpu.stat 的配置与监控

Cgroup v2 的 CPU 控制器是容器运行时容量运维的核心组件，它通过三个关键接口文件实现 CPU 资源的分配、限制与监控。本章将深入解析 cpu.weight（权重分配）、cpu.max（硬限制）和 cpu.stat（状态监控）的工作原理、配置方法及运维实践。

4.1 CPU 控制器架构概览

在 Cgroup v2 中，CPU 控制器采用“权重 + 上限”的双层模型：权重决定竞争时的比例分配，上限则提供的资源天花板。下图展示了 CPU 控制器的核心架构与数据流。

4.2 cpu.weight：权重分配机制

cpu.weight 控制组之间 CPU 时间的相对比例，仅在 CPU 资源竞争时生效。默认值为 100，取值范围 1-10000。

4.2.1 权重分配原理

当多个 cgroup 同时争用 CPU 时，调度器按权重比例分配 CPU 时间。计算公式如下：

cgroup_i 的 CPU 份额 = (weight_i) / (所有活跃 cgroup 的 weight 之和) × 可用 CPU 时间

4.2.2 权重配置示例

以下示例展示如何为两个容器设置不同的 CPU 权重：

# 容器 A：高优先级（weight=200）
echo 200 > /sys/fs/cgroup/system.slice/docker-containerA.scope/cpu.weight

# 容器 B：低优先级（weight=50）
echo 50 > /sys/fs/cgroup/system.slice/docker-containerB.scope/cpu.weight

# 验证配置
cat /sys/fs/cgroup/system.slice/docker-containerA.scope/cpu.weight
cat /sys/fs/cgroup/system.slice/docker-containerB.scope/cpu.weight

当两个容器同时满载运行时，CPU 分配比例为 200:50 = 4:1，即容器 A 获得约 80% 的 CPU 时间，容器 B 获得约 20%。

4.2.3 权重与 CPU 数量的关系

4.3 cpu.max：硬限制配置

cpu.max 以“配额/周期”格式设置 CPU 使用的上限，格式为 $quota $period。默认值为 max 100000（无限制）。

4.3.1 配额与周期详解

周期（period）默认为 100000μs（100ms），配额（quota）表示在每个周期内允许使用的 CPU 时间。配额值可以大于周期值，表示可以使用超过 1 个 CPU 核心。

4.3.2 配置示例与验证

# 限制容器使用 1.5 个 CPU 核心
echo "150000 100000" > /sys/fs/cgroup/system.slice/docker-container.scope/cpu.max

# 验证配置
cat /sys/fs/cgroup/system.slice/docker-container.scope/cpu.max
# 输出: 150000 100000

# 移除限制（设置为无限制）
echo "max 100000" > /sys/fs/cgroup/system.slice/docker-container.scope/cpu.max

4.4 cpu.stat：状态监控与诊断

cpu.stat 文件提供 CPU 使用和节流的关键统计信息，是容量运维的核心监控数据源。

4.4.1 关键字段解读

4.4.2 监控与诊断实践

以下脚本展示如何实时监控 CPU 节流情况：

#!/bin/bash
# cpu_throttle_monitor.sh - 监控容器 CPU 节流

CGROUP_PATH="/sys/fs/cgroup/system.slice/docker-container.scope"
INTERVAL=5

echo "监控 CPU 节流情况（每 ${INTERVAL} 秒）..."
echo "时间戳 | 使用率(%) | 节流次数 | 节流比例(%) | 节流时间(ms)"

while true; do
  STAT=$(cat ${CGROUP_PATH}/cpu.stat)
  MAX=$(cat ${CGROUP_PATH}/cpu.max | awk '{print $1}')

  USAGE=$(echo "$STAT" | grep usage_usec | awk '{print $2}')
  PERIODS=$(echo "$STAT" | grep nr_periods | awk '{print $2}')
  THROTTLED=$(echo "$STAT" | grep nr_throttled | awk '{print $2}')
  THROTTLED_USEC=$(echo "$STAT" | grep throttled_usec | awk '{print $2}')

  # 计算使用率（基于最近间隔）
  sleep ${INTERVAL}
  STAT_NEW=$(cat ${CGROUP_PATH}/cpu.stat)
  USAGE_NEW=$(echo "$STAT_NEW" | grep usage_usec | awk '{print $2}')
  PERIODS_NEW=$(echo "$STAT_NEW" | grep nr_periods | awk '{print $2}')
  THROTTLED_NEW=$(echo "$STAT_NEW" | grep nr_throttled | awk '{print $2}')

  USAGE_DELTA=$(( (USAGE_NEW - USAGE) / 1000 ))  # 转换为 ms
  PERIODS_DELTA=$(( PERIODS_NEW - PERIODS ))
  THROTTLED_DELTA=$(( THROTTLED_NEW - THROTTLED ))

  # 计算 CPU 使用率（百分比）
  CPU_PERCENT=$(echo "scale=2; ${USAGE_DELTA} / (${INTERVAL} * 1000) * 100" | bc)

  # 计算节流比例
  if [ ${PERIODS_DELTA} -gt 0 ]; then
    THROTTLE_RATIO=$(echo "scale=2; ${THROTTLED_DELTA} / ${PERIODS_DELTA} * 100" | bc)
  else
    THROTTLE_RATIO="0.00"
  fi

  TIMESTAMP=$(date "+%H:%M:%S")
  echo "${TIMESTAMP} | ${CPU_PERCENT}% | ${THROTTLED_DELTA} | ${THROTTLE_RATIO}% | $(( THROTTLED_USEC / 1000 ))ms"
done

4.5 权重与上限的协同策略

在实际运维中，cpu.weight 和 cpu.max 需要协同配置才能实现精细化的资源管理。下图展示了不同配置组合的效果。

4.6 运维最佳实践

4.7 常见问题排查