Linux 性能调优之虚拟化调优

2024-05-11码农

来源：山河已无恙

写在前面

考试整理相关笔记

博文内容涉及Linux VM 常见管理操作以及部分调优配置

理解不足小伙伴帮忙指正

不必太纠结于当下，也不必太忧虑未来，当你经历过一些事情的时候，眼前的风景已经和从前不一样了。——村上春树

使用工具进行调优

可以直接使用 tuned 包里面的适用于虚拟化调优的参数，tuned 中对于虚拟化通过两个优化配置，一个适用虚拟机，一个适用虚拟机所在的宿主机。

- virtual-guest - Optimize for running inside a virtual guest - virtual-host - Optimize for running KVM guests

virtual-guest：为运行在虚拟机客户机中进行优化,即虚拟机模式

virtual-host：为运行 KVM 客户机进行优化，运行了虚拟机的宿主机

看一下这个两个策略配置做了什么操作

虚拟机客户机策略，可以看到当前策略继承了下面的策略：

throughput-performance： 最大吞吐量 ，提供磁盘和网络 IO 的吞吐量

┌──[[email protected]]-[~] └─$cat /usr/lib/tuned/virtual-guest/tuned.conf # # tuned configuration # [main] summary=Optimize for running inside a virtual guest include=throughput-performance [sysctl] # If a workload mostly uses anonymous memory and it hits this limit, the entire # working set is buffered for I/O, and any more write buffering would require # swapping, so it's time to throttle writes until I/O can catch up. Workloads # that mostly use file mappings may be able to use even higher values. # # The generator of dirty data starts writeback at this percentage (system default # is 20%) vm.dirty_ratio = 30 # Filesystem I/O is usually much more efficient than swapping, so try to keep # swapping low. It's usually safe to go even lower than this on systems with # server-grade storage. vm.swappiness = 30

修改了两个内核参数

vm.dirty_ratio = 30 vm.swappiness = 30

vm.dirty_ratio ：这个参数指定了当 匿名内存（anonymous memory）的脏页（dirty pages）达到一定比例时，开始进行写回（writeback） 。脏页是指已经被修改但尚未写入磁盘的页面。默认值是20%，而在这个配置中设置为30%。当脏页达到这个比例时，系统会开始将这些数据写回磁盘，以便为后续的写入操作腾出空间。 这个参数的增加可以延迟写回的触发，帮助提高I/O性能 。

vm.swappiness ：这个参数控制系统在内存紧张时进行页面置换（swapping）的倾向程度。页面置换指的是将内存中的页面数据移出到交换空间（swap space）中，以便为其他进程或文件提供更多的内存空间。默认值是60，而在这个配置中设置为30。 较低的值表示系统更倾向于使用文件系统的I/O操作来释放内存 ，而不是频繁进行页面置换。这对于使用高性能存储的服务器系统来说是安全的，可以降低页面置换的频率，提高整体性能。

虚拟机的宿主机策略，通过继承了 throughput-performance 最大吞吐量策略

┌──[[email protected]]-[~] └─$cat /usr/lib/tuned/virtual-host/tuned.conf # # tuned configuration # [main] summary=Optimize for running KVM guests include=throughput-performance [sysctl] # Start background writeback (via writeback threads) at this percentage (system # default is 10%) vm.dirty_background_ratio = 5 [cpu] # Setting C3 state sleep mode/power savings force_latency=cstate.id_no_zero:3|70 ┌──[[email protected]]-[~] └─$

vm.dirty_background_ratio ：这个参数指定了 当脏页的比例达到一定阈值时，系统开始后台写回（writeback） 。脏页是指已经被修改但尚未写入磁盘的页面。默认值是10%，而在这个配置中设置为5%。当脏页达到这个比例时，系统会启动后台的 写回线程 ，将部分数据写回磁盘，以减少内存中的脏页数量。通过降低这个阈值，可以在系统负载较轻时更早地开始后台写回，以提高整体的I/O性能。

[cpu] 部分中的 force_latency ：这个配置参数用于设置CPU的C3状态（sleep mode）的睡眠模式或省电模式。 C3状态是一种较深的睡眠状态 ，可以在CPU空闲时进入以节省能源。这里的配置 cstate.id_no_zero:3|70 指示系统在空闲时将CPU进入C3状态，以实现一定程度的 省电 。具体的值和配置方式可能因硬件和内核版本而有所不同，这里的示例是针对特定的设置。

vm.dirty_background_ratio 参数和 vm.dirty_ratio 参数的区别：

vm.dirty_background_ratio 用通俗的话讲，可以驻留在内存中最大占比，即这些数据要写到磁盘，但是这个这个阈值之内不会发生回写。

vm.dirty_ratio 用通俗的话讲，当前系统能允许的最大脏页占比。当系统到达这一点时，所有新的 I/O 都会阻塞，直到脏页已写入磁盘

资源占用信息查看

┌──[[email protected]]-[~] └─$yum -y install numactl

numactl 是一个用于在 NUMA（非统一内存访问）系统上运行程序的实用工具。它可以帮助您管理和优化在 NUMA 架构下的内存访问和处理器分配。

NUMA（Non-Uniform Memory Access） 是一种计算机系统架构，用于处理多处理器系统中的内存访问和内存管理。在NUMA架构中，系统中的内存被划分为多个节点（Node），每个节点与一个或多个处理器核心（CPU）相关联

每个NUMA节点包含一部分物理内存和与之关联的处理器核心。节点之间通过高速互连（如快速路径互连或片上互连）连接起来，以实现节点之间的通信和数据传输

使用numastat命令获取的关于qemu-kvm进程在不同NUMA节点上的内存使用情况的输出结果。

┌──[[email protected]]-[~] └─$numastat -c qemu-kvm Per-node process memory usage (in MBs) PID Node 0 Total --------------- ------ ----- 1755 (qemu-kvm) 855 855 53693 (qemu-kvm) 759 759 53790 (qemu-kvm) 1218 1218 53890 (qemu-kvm) 875 875 54009 (qemu-kvm) 751 751 54128 (qemu-kvm) 811 811 54246 (qemu-kvm) 778 778 --------------- ------ ----- Total 6048 6048

设置虚拟机CPU绑定

使用 virsh 工具对虚拟机的虚拟CPU（VCPU）进行查看绑定操作

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh vcpupin workstation VCPU: CPU Affinity ---------------------------------- 0: 0-7 1: 0-7

指定了名为"workstation"的虚拟机的VCPU绑定情况。根据输出，该虚拟机有两个VCPU（标识符为0和1），并且它们都与CPU编号0到7之间的CPU核心有绑定关系。

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh vcpupin servera VCPU: CPU Affinity ---------------------------------- 0: 0-7 1: 0-7

对名为"serverc"的虚拟机的第一个VCPU（标识符为0）进行了更具体的绑定设置。它将该VCPU绑定到了CPU编号为0的核心上。

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh vcpupin serverc 0 0 ┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh vcpupin serverc VCPU: CPU Affinity ---------------------------------- 0: 0 1: 0-7

0-5 表示将该 VCPU 绑定到 CPU 编号为 0到5的核心上。这意味着虚拟机的第一个VCPU只能在这些CPU核心上执行。

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh vcpupin serverc 0 0-5 ┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh vcpupin serverc VCPU: CPU Affinity ---------------------------------- 0: 0-5 1: 0-7

查看某个虚拟机的内存信息

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh dominfo workstation Id: 3 Name: workstation UUID: 3f09a13c-94ad-4d97-8f76-17e9a81ae61f OS Type: hvm State: running CPU(s): 2 CPU time: 771.0s Max memory: 2097152 KiB #虚拟机可用的最大内存容量，以KiB（Kibibyte）为单位。 Used memory: 2097152 KiB #虚拟机当前使用的内存容量，以KiB为单位。 Persistent: yes Autostart: disable Managed save: no Security model: selinux Security DOI: 0 Security label: system_u:system_r:svirt_t:s0:c201,c330 (enforcing)

限制虚拟机的 CPU 资源

限制虚拟机的 CPU 资源， cpu shares=2048 的虚拟机会比 cpu shares=1024 的虚拟机获得更多的 CPU 资源

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh schedinfo workstation Scheduler : posix cpu_shares : 1024 vcpu_period : 100000 vcpu_quota : -1 emulator_period: 100000 emulator_quota : -1 global_period : 100000 global_quota : -1 iothread_period: 100000 iothread_quota : -1 ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh schedinfo workstation cpu_shares=2048 Scheduler : posix cpu_shares : 2048 vcpu_period : 100000 vcpu_quota : -1 emulator_period: 100000 emulator_quota : -1 global_period : 100000 global_quota : -1 iothread_period: 100000 iothread_quota : -1

虚拟机 的 CPU份额（cpu shares） 参数的值为2048。CPU份额用于确定虚拟机在竞争CPU资源时的优先级。较高的份额值表示虚拟机将获得更多的CPU时间片。

设置虚拟机内存限制

设置 control 虚拟机的 最大内存容量 (确保虚拟机关机状态设置

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh setmaxmem workstation --size 2097152 error: Unable to change MaxMemorySize error: Requested operation is not valid: cannot resize the maximum memory on an active domain

设置 control 虚拟机的 运行内存容量 (确保虚拟机开机状态设置)

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh setmem workstation --size 2097152

查看虚拟机内存限制

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh memtune workstation hard_limit : unlimited soft_limit : unlimited swap_hard_limit: unlimited

设置虚拟机内存限制

┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh memtune workstation --hard-limit 2G --soft-limit 1G ┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh memtune workstation hard_limit : 2097152 soft_limit : 1048576 swap_hard_limit: unlimited ┌──[[email protected]]-[~] └─$

KSM 参数配置

当 多个虚拟机 运行相同的 操作系统 或者工作负载时，许多内存也很可能具有相同的内容，对这些 相同内存 的 内存页进行合并称为内核共享内存(KSM)

当需要写入并修改共享内存时，KSM 会克隆共享页面，给虚拟机一个非共享的副本，这个过程称为 写时复制(COW，copy on write) 。

ksm 进程 : 执行内存扫描和内存页合并

┌──[[email protected]]-[~] └─$systemctl status ksm ksm.service ksmtuned.service

┌──[[email protected]]-[~] └─$systemctl status ksm.service ● ksm.service - Kernel Samepage Merging Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/ksm.service; enabled; vendor preset: enabled) Active: active (exited) since Mon 2023-10-02 19:31:31 CST; 2 days ago Main PID: 997 (code=exited, status=0/SUCCESS) Tasks: 0 (limit: 253184) Memory: 0B CGroup: /system.slice/ksm.service Oct 02 19:31:30 liruilongs.github.io systemd[1]: Starting Kernel Samepage Merging... Oct 02 19:31:31 liruilongs.github.io systemd[1]: Started Kernel Samepage Merging.

ksmtuned 进程 :控制何时扫描以及扫描的积极性

┌──[[email protected]]-[~] └─$systemctl status ksmtuned.service ● ksmtuned.service - Kernel Samepage Merging (KSM) Tuning Daemon Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/ksmtuned.service; enabled; vendor preset: enabled) Active: active (running) since Mon 2023-10-02 19:31:36 CST; 2 days ago Main PID: 1036 (ksmtuned) Tasks: 2 (limit: 253184) Memory: 12.9M CGroup: /system.slice/ksmtuned.service ├─ 1036 /bin/bash /usr/sbin/ksmtuned └─62516 sleep 60 Oct 02 19:31:31 liruilongs.github.io systemd[1]: Starting Kernel Samepage Merging (KSM) Tuning Daemon... Oct 02 19:31:36 liruilongs.github.io systemd[1]: Started Kernel Samepage Merging (KSM) Tuning Daemon. ┌──[[email protected]]-[~] └─$

可以通过 /sys/kerel/mm/ksm/ 目录下的参数，设置调优参数:

┌──[[email protected]]-[~] └─$cat /sys/kernel/mm/ksm/ full_scans pages_to_scan stable_node_chains max_page_sharing pages_unshared stable_node_chains_prune_millisecs merge_across_nodes pages_volatile stable_node_dups pages_shared run use_zero_pages pages_sharing sleep_millisecs ┌──[[email protected]]-[~] └─$cat /sys/kernel/mm/ksm/run 0 ┌──[[email protected]]-[~] └─$

run :设置为 1 时，ksm 进程主动扫描内存，设置为 0 时，扫描被禁用。(默认为 0)

pages to scan :下一个周期要扫描的内存页数。(默认 100)sleep_millisecs:周期之间睡眠的时间，单位为毫秒。(默认 20)

pages shared :共享总页数。(默认 0)

pages_sharing :当前共享的页数。(默认 0)

fullscans :扫描整个内存空间的次数。(默认 0)

merge acrossnodes :是否合并不同 NUMA 节点的内存。(默认 1)

可以通过 virsh node-memory-tune 命令查看这些参数的值，或者修改这些参数文件的值.

nodecpustats nodedev-destroy nodedev-dumpxml nodedev-list nodedev-reset node-memory-tune nodesuspend ┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh node-memory-tune Shared memory: shm_pages_to_scan 100 shm_sleep_millisecs 20 shm_pages_shared 2013 shm_pages_sharing 5130 shm_pages_unshared 10144 shm_pages_volatile 91431 shm_full_scans 28 shm_merge_across_nodes 1 ┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh node-memory-tune --shm-sleep-millisecs 30 ┌──[[email protected]]-[~] └─$virsh node-memory-tune Shared memory: shm_pages_to_scan 100 shm_sleep_millisecs 30 shm_pages_shared 2013 shm_pages_sharing 5130 shm_pages_unshared 10144 shm_pages_volatile 91431 shm_full_scans 28 shm_merge_across_nodes 1 ┌──[[email protected]]-[~] └─$cat /sys/kernel/mm/ksm/sleep_millisecs 30 ┌──[[email protected]]-[~] └─$

虚拟磁盘配置调优

虚拟机使用的磁盘可以是一个 块设备 ，也可以是一个 镜像文件 ，

直接使用 块设备 是一个不错的选择，而使用 镜像文件 则会带来额外的 I/O 资源 需求，镜像文件需要更多的 I/0 资源, KVM 支持 2 种镜像格式:

raw

qcow2

raw 格式性能比 qcow2 更好，但是 qcow2 可以获得更多功能。qcow2 可以提供如下功能：

sparse image file (稀疏镜像文件或精简像文件，真正使用时才分配存储空间)

Cow(写时复制)

ROW (写时重定向)，应用于快照

compression(支持压缩)

encryption(支持加密)

创建 qcow2 镜像

使用 gemu-img create 命令可以创建 qcow2 镜像文件:

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$qemu-img create -f qcow2 -o preallocation=metadata /var/lib/libvirt/images/disk.qcow2 1G Formatting '/var/lib/libvirt/images/disk.qcow2', fmt=qcow2 size=1073741824 cluster_size=65536 preallocation=metadata lazy_refcounts=off refcount_bits=16 ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$ll /var/lib/libvirt/images/disk.qcow2 -rw-r--r--. 1 root root 1074135040 Oct 5 14:17 /var/lib/libvirt/images/disk.qcow2 ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$

preallocation 支持的选择：

preallocation=off ，不分配任何空间，off 为默认属性

preallocation=metadata ，提前创建 metadata 空间，但不分配实际数据存储空间，快速创建镜像，但是写入速度会变慢。

preallocation=falloc ，创建 metadata 空间和数据空间，但是标记 block 为未分配，创建镜像比 metadata 慢，但是写入速度更快

preallocation=full ，创建镜像时分配所有资源，不使用 spare 技术。初始化镜像慢，性能类似 falloc。

创建快照盘(ROW)

基于 disk.qcow2 镜像文件，创建新的快照文件 disk-snap.qcow2 ，新像 30G

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$qemu-img create -f qcow2 -b /var/lib/libvirt/images/disk.qcow2 disk-snap.qcow2 30G Formatting 'disk-snap.qcow2', fmt=qcow2 size=32212254720 backing_file=/var/lib/libvirt/images/disk.qcow2 cluster_size=65536 lazy_refcounts=off refcount_bits=16 ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$ll /var/lib/libvirt/images/disk-snap.qcow2 -rw-r--r--. 1 root root 197088 Oct 5 14:25 /var/lib/libvirt/images/disk-snap.qcow2 ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$

虚拟机磁盘缓存模式

cache=none，不开启缓存，直接数据落盘，支持虚拟机迁移

cache=writethrough，数据同时写入缓存和物理硬盘，该选项确保数据完整性，但是写速度慢

cache=writeback，数据先写缓存，写入缓存及确认数据写入完成，然后缓存同步落盘

cache=directsync，类似 writethrouth，数据写入物理硬盘，需要的时候绕过缓存

cache=unsafe，类似于 writeback，但是所有 /O flush 都会被忽略，不确保数据安全，但是可以提升性能，比如在安装系统时使用该模式，但是不能应用在生产工作负载

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$cat *.xml | grep driver <driver name="qemu"type="qcow2" cache='none'/>

虚拟机磁盘 IO 调优

使用virsh blkdeviotune命令来为名为"workstation"的虚拟机的磁盘设备（vda）设置了 I/O限制 。具体来说，设置了每秒最大 IOPS（IO操作每秒）为1000 ，并设置了每秒最大字节传输速率为10MB。

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh blkdeviotune workstation vda --total-iops-sec 1000 --total-bytes-sec 10MB ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh dumpxml workstation | grep -A2 iotune <iotune> <total_bytes_sec>10000000</total_bytes_sec> <total_iops_sec>1000</total_iops_sec> </iotune> <alias name='virtio-disk0'/> <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00'function='0x0'/> ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$

虚拟化性能监控

查看设备 IO 信息

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh domblkstat workstation vda --human Device: vda number of read operations: 15012 number of bytes read: 437122048 number of write operations: 3193 number of bytes written: 71808512 number of flush operations: 903 total duration of reads (ns): 854291749703 total duration of writes (ns): 93692774619 total duration of flushes (ns): 7848596731

查看网络设备信息

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh domiflist workstation Interface Type Source Model MAC ------------------------------------------------------- vnet4 bridge privbr0 virtio 52:54:00:00:fa:09

查看网络状态

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh domifstat workstation vnet4 vnet4 rx_bytes 600038 vnet4 rx_packets 10176 vnet4 rx_errs 0 vnet4 rx_drop 0 vnet4 tx_bytes 72045 vnet4 tx_packets 610 vnet4 tx_errs 0 vnet4 tx_drop 0

查看内存信息，单位为 KB

┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$virsh dommemstat workstation actual 2097152 swap_in 0 swap_out 0 major_fault 304 minor_fault 147927 unused 1669348 available 1873292 usable 1631560 last_update 1696474286 rss 1246776 ┌──[[email protected]]-[/var/lib/libvirt/images] └─$

博文部分内容参考

https://lonesysadmin.net/tag/linux-vm-performance-tuning/

【 Red Hat Performance Tuning 442 】