📚 课程目录第3章 cgroup CPU子系统基础

3、cgroup CPU 子系统基础：核心文件解析

在容器化环境中，CFS（Completely Fair Scheduler）通过 cgroup CPU 子系统的四个关键文件实现 CPU 资源的分配与限制。理解 cpu.shares、cpu.cfs_period_us、cpu.cfs_quota_us 和 cpu.stat 是配置容器 CPU 组调度的基础。本节将逐一解析每个文件的作用、参数含义及典型配置。

3.1 文件概览与功能对比

下表列出了 cgroup CPU 子系统的核心文件及其在 CFS 调度中的角色：

文件名	作用域	控制粒度	默认值	典型场景
`cpu.shares`	相对权重	CPU 时间比例	1024	多容器按比例分配 CPU
`cpu.cfs_period_us`	周期长度	微秒（μs）	100000	定义配额计算的时间窗口
`cpu.cfs_quota_us`	硬性上限	微秒（μs）	-1（无限制）	限制容器最大 CPU 使用量
`cpu.stat`	统计信息	只读	—	监控调度延迟与限流情况

关键概念区分：cpu.shares 仅在 CPU 资源竞争时生效，属于“软限制”；cpu.cfs_quota_us 无论是否竞争都强制生效，属于“硬限制”。两者配合使用可实现精细化的 CPU 资源管控。

3.2 cpu.shares —— 相对权重分配

cpu.shares 定义了 cgroup 在 CPU 时间竞争中的相对权重。当多个 cgroup 同时需要 CPU 时，调度器按 shares 值的比例分配 CPU 时间。该值是一个整数，默认值为 1024。

工作原理：

假设两个 cgroup A 和 B，shares 分别为 1024 和 2048。
当两者都满负荷运行时，A 获得约 1/3 的 CPU 时间，B 获得约 2/3。
如果只有一个 cgroup 活跃，它可以占用全部 CPU 资源（不受 shares 限制）。

配置示例：为容器设置 shares 为 2048，使其在竞争时获得两倍于默认容器的 CPU 时间。

# 设置 cpu.shares 为 2048
echo 2048 > /sys/fs/cgroup/cpu/docker/container1/cpu.shares

# 验证当前值
cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/container1/cpu.shares
# 输出：2048

3.3 cpu.cfs_period_us 与 cpu.cfs_quota_us —— 硬性上限控制

这两个文件配合使用，实现 CFS 配额机制，对 cgroup 的 CPU 使用量进行硬性限制。

cpu.cfs_period_us：一个调度周期的时间长度，单位为微秒（μs），默认值 100000（即 100ms）。
cpu.cfs_quota_us：在每个周期内，cgroup 允许使用的最大 CPU 时间，单位为微秒（μs）。默认值 -1 表示无限制。

配额计算方式：

有效 CPU 核心数 = cpu.cfs_quota_us / cpu.cfs_period_us
例如：quota = 200000，period = 100000，则限制为 2 个 CPU 核心。
例如：quota = 50000，period = 100000，则限制为 0.5 个 CPU 核心。

注意事项：当 cpu.cfs_quota_us 设置过小（如小于一个调度 tick）时，可能导致容器频繁被限流，引发调度延迟。建议生产环境中 quota 值至少为 period 的 10%。

3.4 cpu.stat —— 调度统计与限流监控

cpu.stat 是一个只读文件，提供 cgroup 的 CPU 调度统计信息，用于监控容器是否被限流以及调度延迟情况。

文件内容示例：

nr_periods 1000
nr_throttled 45
throttled_time 12345678
nr_bursts 0
burst_time 0

字段含义：

字段名	类型	说明
`nr_periods`	整数	自 cgroup 创建以来经历的调度周期总数
`nr_throttled`	整数	被限流的周期数（即 CPU 使用超过 quota 的周期）
`throttled_time`	纳秒	累计被限流的总时间（纳秒）
`nr_bursts`	整数	发生突发（burst）的次数（需内核支持 CPU burst 特性）
`burst_time`	纳秒	累计突发使用的时间（纳秒）

  监控指标解读：
  限流率 = nr_throttled / nr_periods：反映容器被限流的频率。限流率过高（如 > 5%）说明 quota 设置偏小，需考虑扩容。
throttled_time：累计限流时间持续增长，表明容器频繁等待 CPU 资源，可能影响业务延迟。
nr_bursts / burst_time：如果 burst 值持续增长，说明容器在利用突发能力弥补短期性能缺口。

3.5 综合配置案例

以下是一个完整的 cgroup CPU 子系统配置示例，展示如何同时使用 shares、quota 和 period 控制容器 CPU 资源：

# 创建 cgroup 目录
mkdir -p /sys/fs/cgroup/cpu/demo_container

# 设置相对权重（竞争时获得 2 倍默认权重）
echo 2048 > /sys/fs/cgroup/cpu/demo_container/cpu.shares

# 设置调度周期为 100ms（默认值）
echo 100000 > /sys/fs/cgroup/cpu/demo_container/cpu.cfs_period_us

# 设置配额为 150ms（限制为 1.5 个 CPU 核心）
echo 150000 > /sys/fs/cgroup/cpu/demo_container/cpu.cfs_quota_us

# 将进程 PID 加入 cgroup
echo 12345 > /sys/fs/cgroup/cpu/demo_container/tasks

# 查看统计信息
cat /sys/fs/cgroup/cpu/demo_container/cpu.stat

最佳实践：在容器化环境中，建议将 cpu.cfs_period_us 保持为默认值 100ms，仅调整 cpu.cfs_quota_us 和 cpu.shares。频繁修改 period 值可能导致调度器行为异常，且对大多数应用场景无额外收益。