Docker：限制容器可用的 CPU

作者：sparkdev；
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默認情況下容器可以使用的主機 CPU 資源是不受限制的。和內存資源的使用一樣，如果不對容器可以使用的 CPU 資源進行限制，一旦發生容器內程序異常使用 CPU 的情況，很可能把整個主機的 CPU 資源耗盡，從而導致更大的災難。本文將介紹如何限制容器可以使用的 CPU 資源。

本文的 demo 中會繼續使用《Docker: 限制容器可用的內存》一文中創建的 docker 鏡像 u-stress 進行壓力測試，文中就不再過多的解釋了。

限制可用的 CPU 個數

在 docker 1.13 及更高的版本上，能夠很容易的限制容器可以使用的主機 CPU 個數。只需要通過 --cpus 選項指定容器可以使用的 CPU 個數就可以了，並且還可以指定如 1.5 之類的小數。接下來我們在一臺有四個 CPU 且負載很低的主機上進行 demo 演示：

通過下面的命令創建容器，--cpus=2 表示容器最多可以使用主機上兩個 CPU：

$ docker run -it --rm --cpus=2 u-stress:latest /bin/bash

然後由 stress 命令創建四個繁忙的進程消耗 CPU 資源：

# stress -c 4

我們先來看看 docker stats 命令的輸出：

容器 CPU 的負載爲 200%，它的含義爲單個 CPU 負載的兩倍。我們也可以把它理解爲有兩顆 CPU 在 100% 的爲它工作。

再讓我們通過 top 命令看看主機 CPU 的真實負載情況：

哈哈，有點大跌眼鏡！實際的情況並不是兩個 CPU 負載 100%，而另外兩個負載 0%。四個 CPU 的負載都是 50%，加起來容器消耗的 CPU 總量就是兩個 CPU 100% 的負載。

看來對於進程來說是沒有 CPU 個數這一概念的，內核只能通過進程消耗的 CPU 時間片來統計出進程佔用 CPU 的百分比。這也是我們看到的各種工具中都使用百分比來說明 CPU 使用率的原因。

嚴謹起見，我們看看 docker 的官方文檔中是如何解釋 --cpus 選項的：

Specify how much of the available CPU resources a container can use.地址：https://docs.docker.com/engine/admin/resource_constraints/#configure-the-default-cfs-scheduler

果然，人家用的是 "how much"，不可數的！並且 --cpus 選項支持設爲小數也從側面說明了對 CPU 的計量只能是百分比。

看來筆者在本文中寫的 "CPU 個數" 都是不準確的。既然不準確，爲什麼還要用？當然是爲了容易理解。況且筆者認爲在 --cpus 選項的上下文中理解爲 "CPU 個數" 並沒有問題(有興趣的同學可以讀讀 --cpus 選項的由來，人家的初衷也是要表示 CPU 個數的)。

雖然 --cpus 選項用起來很爽，但它畢竟是 1.13 纔開始支持的。對於更早的版本完成同樣的功能我們需要配合使用兩個選項：--cpu-period 和 --cpu-quota(1.13 及之後的版本仍然支持這兩個選項)。下面的命令實現相同的結果：

$ docker run -it --rm --cpu-period=100000 --cpu-quota=200000 u-stress:latest /bin/bash

這樣的配置選項是不是讓人很傻眼呀！100000 是什麼？200000 又是什麼？它們的單位是微秒，100000 表示 100 毫秒，200000 表示 200 毫秒。它們在這裏的含義是：在每 100 毫秒的時間裏，運行進程使用的 CPU 時間最多爲 200 毫秒(需要兩個 CPU 各執行 100 毫秒)。

要想徹底搞明白這兩個選項的同學可以參考：CFS BandWith Control。我們要知道這兩個選項纔是事實的真相，但是真相往往很殘忍！還好 --cpus 選項成功的解救了我們，其實它就是包裝了 --cpu-period 和 --cpu-quota。

指定固定的 CPU

通過 --cpus 選項我們無法讓容器始終在一個或某幾個 CPU 上運行，但是通過 --cpuset-cpus 選項卻可以做到！這是非常有意義的，因爲現在的多核系統中每個核心都有自己的緩存，如果頻繁的調度進程在不同的核心上執行勢必會帶來緩存失效等開銷。

下面我們就演示如何設置容器使用固定的 CPU，下面的命令爲容器設置了 --cpuset-cpus 選項，指定運行容器的 CPU 編號爲 1：

$ docker run -it --rm --cpuset-cpus="1" u-stress:latest /bin/bash

再啓動壓力測試命令：

# stress -c 4

然後查看主機 CPU 的負載情況：

這次只有 Cpu1 達到了 100%，其它的 CPU 並未被容器使用。我們還可以反覆的執行 stress -c 4 命令，但是始終都是 Cpu1 在幹活。

再看看容器的 CPU 負載，也是隻有 100%：

--cpuset-cpus 選項還可以一次指定多個 CPU：

$ docker run -it --rm --cpuset-cpus="1,3" u-stress:latest /bin/bash

這次我們指定了 1，3 兩個 CPU，運行 stress -c 4 命令，然後檢查主機的 CPU 負載：

Cpu1 和 Cpu3 的負載都達到了 100%。

容器的 CPU 負載也達到了 200%：

--cpuset-cpus 選項的一個缺點是必須指定 CPU 在操作系統中的編號，這對於動態調度的環境(無法預測容器會在哪些主機上運行，只能通過程序動態的檢測系統中的 CPU 編號，並生成 docker run 命令)會帶來一些不便。

設置使用 CPU 的權重

當 CPU 資源充足時，設置 CPU 的權重是沒有意義的。只有在容器爭用 CPU 資源的情況下， CPU 的權重才能讓不同的容器分到不同的 CPU 用量。--cpu-shares 選項用來設置 CPU 權重，它的默認值爲 1024。我們可以把它設置爲 2 表示很低的權重，但是設置爲 0 表示使用默認值 1024。

下面我們分別運行兩個容器，指定它們都使用 Cpu0，並分別設置 --cpu-shares 爲 512 和 1024：

$ docker run -it --rm --cpuset-cpus="0" --cpu-shares=512 u-stress:latest /bin/bash
$ docker run -it --rm --cpuset-cpus="0" --cpu-shares=1024 u-stress:latest /bin/bash

在兩個容器中都運行 stress -c 4 命令。

此時主機 Cpu0 的負載爲 100%：