容器中如何正确配置 GOMAXPROCS ?

2023-04-30 Golang Docker Go 源码分析读代码

前言

前两天看了一篇文章 GOMAXPROCS 与容器的相处之道，里面提到了 Go 标准库中 runtime.GOMAXPROCS 方法的问题：

因为系统调用 sched_getaffinity 并不感知它对进程的限制，所以运行在 Kubernetes 中的 Go 程序的运行时始终会认为自己可以使用宿主机上的所有 CPU，进而创建了相同数量的 P (处理器)，而当 GOMAXPROCS 被手动地设置为限制后的值后，CPU 密集型场景的性能就得到了很大提高。

Go 标准库在应用层面并没有给出任何解决方案，Uber 公司的技术团队针对这个问题开发并开源了组件 automaxprocs，对于需要严格限制 P 数量 的业务场景，可以使用该组件在运行时根据容器中 CGroups 的配置动态修改 GOMAXPROCS，避免资源的不合理使用。

内部实现

我们一起探究下 automaxprocs 组件的内部代码实现，笔者选择的版本为 v1.5.1。

备注: 如果读者对 CGroups 概念尚不清晰，建议先阅读一下这篇文章 Docker 基础支撑技术概览。

示例程序

package main

import (
	_ "go.uber.org/automaxprocs"
	"fmt"
	"runtime"
	"time"
)

func main() {
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			time.Sleep(time.Millisecond)
		}()
	}

	// 输出 CPU Core 的数量
	// 输出处理器 P 的数量
	fmt.Printf("CPU number = %d, P number = %d\n", runtime.NumCPU(), runtime.GOMAXPROCS(-1))

	time.Sleep(time.Second)
}

宿主机运行

$ go run main.go

# 输出如下
CPU number = 8, P number = 8

笔者的宿主机 CPU 配置为 8 Core，通过输出的信息可以看到处理器的数量并没有被限制。

容器运行

接下来构建一个配置为 –cpus=2 的容器运行上面的代码:

$ go run main.go

# 输出如下
CPU number = 2, P number = 2

通过输出的信息可以看到处理器的数量已经被限制。

接口

automaxprocs 组件同时兼容 CGroups 和 CGroups2, 通过 queryer 接口来抽象隔离具体的版本实现。

type queryer interface {
	CPUQuota() (float64, bool, error)
}

var (
    _newCgroups2 = cg.NewCGroups2ForCurrentProcess
    _newCgroups  = cg.NewCGroupsForCurrentProcess
)

queryer 接口

CGroups2 是 CGroups 的升级版本，提供了统一的控制系统并增强了资源管理能力，详情可以参考这篇文章 About cgroup v2。

# 确认当前系统的 CGroups 版本 

$ stat -fc %T /sys/fs/cgroup/

# CGroups  输出 tmpfs
# CGroups2 输出 cgroup2fs

笔者使用的 Ubuntu 版本为 tmpfs, 所以下面的代码研究以 CGroups 实现为主。

初始化函数

automaxprocs 包内注册了 init 方法，会被其被引用时自动调用。

package automaxprocs

func init() {
	maxprocs.Set(maxprocs.Logger(log.Printf))
}

Set 函数

Set 函数是功能实现的核心代码，它会自动匹配 Linux 容器中的 CPU 资源配额并更改 GOMAXPROCS，对于非 Linux 系统或者没有配置 CPU 资源配置的 Linux 系统，该方法什么也不做，最后方法返回一个 error 和一个 undo 函数 (用来撤销针对 GOMAXPROCS 所作的修改)。

题外话: 这个返回的 undo 函数小技巧值得学习 (设计模式之状态模式)。

func Set(opts ...Option) (func(), error) {
	cfg := &config{
        // 用来获取 CPU 资源配额的方法
		procs:         iruntime.CPUQuotaToGOMAXPROCS,
		// GOMAXPROCS 最小值为 1
		minGOMAXPROCS: 1,    
	}

	...

	// 默认的 undo 函数
	undoNoop := func() {
        
	}
	
	if max, exists := os.LookupEnv(_maxProcsKey); exists {
        // 如果已经设置了 GOMAXPROCS 环境变量，就以环境变量为准
		// 不做任何操作，直接返回
		return undoNoop, nil
	}

    // 获取 CPU 资源配额
	maxProcs, status, err := cfg.procs(cfg.minGOMAXPROCS)   
    
	...

    // 未设置 CPU 资源配额，直接返回
	if status == iruntime.CPUQuotaUndefined {
		return undoNoop, nil
	}

    // 获取当前 GOMAXPROCS 值
	prev := runtime.GOMAXPROCS(0)
    // undo 函数更新，恢复到未修改前的 GOMAXPROCS 值
	undo := func() {
		runtime.GOMAXPROCS(prev)
	}

    ...

	runtime.GOMAXPROCS(maxProcs)
	
	return undo, nil
}

CPUQuotaToGOMAXPROCS 函数

CPUQuotaToGOMAXPROCS 函数用于获取 Linux 容器中的 CPU 资源配额，具体的实现是由 newQueryer 函数完成的。

func CPUQuotaToGOMAXPROCS(minValue int) (int, CPUQuotaStatus, error) {
	cgroups, err := newQueryer()
    
	...

	quota, defined, err := cgroups.CPUQuota()

	...

	maxProcs := int(math.Floor(quota))
    // 如果 CPU 配额比配置的最小值还要小
    // 就以配置的最小值为准
	if minValue > 0 && maxProcs < minValue {
		return minValue, CPUQuotaMinUsed, nil
	}
	return maxProcs, CPUQuotaUsed, nil
}

newQueryer 函数

newQueryer 函数并没有判断当前系统的 CGroups 版本，而是优先获取 CGroups2 的配置，如果获取不到，再获取 CGroups 的配置。

func newQueryer() (queryer, error) {
	// 优先获取 CGroups2 配置
	cgroups, err := _newCgroups2()
	if err == nil {
		return cgroups, nil
	}
	if errors.Is(err, cg.ErrNotV2) {
        // 其次获取 CGroups 配置
		return _newCgroups()
	}
	return nil, err
}

NewCGroupsForCurrentProcess 函数用来获取 CGroups 版本的配置，具体的实现是 NewCGroups 函数完成的。

func NewCGroupsForCurrentProcess() (CGroups, error) {
	return NewCGroups(_procPathMountInfo, _procPathCGroup)
}

NewCGroups 函数通过读取 /proc/self/mountinfo 和 /proc/self/cgroup 文件获取配置，最后包装成 CGroups 接口对象返回。

// CGroups 接口对象
type CGroups map[string]*CGroup

func NewCGroups(procPathMountInfo, procPathCGroup string) (CGroups, error) {
	...
}

CPUQuota 方法

最后，我们看来看下 CGroups 版本的 CPU 资源配额是如何计算出来的，该功能由 CPUQuota 方法完成。

该方法首先获取 cpu.cfs_quota_us 和 cpu.cfs_period_us 两个字段：

cpu.cfs_quota_us: CPU 周期内最多可使用的时间 cpu.cfs_period_us: CPU 周期时间

例如：如果 cpu.cfs_quota_us 是 cpu.cfs_period_us 的 4 倍，表示允许容器使用 4 个 CPU Core。

如果上述两个字段任意一个未设置，方法返回 -1，表示不限制对 CPU 资源的使用，如果两个字段都设置了，使用下面的公式返回资源配额：

cpu.cfs_quota_us / cpu.cfs_period_us

func (cg CGroups) CPUQuota() (float64, bool, error) {
    ...

	cfsQuotaUs, err := cpuCGroup.readInt(_cgroupCPUCFSQuotaUsParam)
    
	...

	cfsPeriodUs, err := cpuCGroup.readInt(_cgroupCPUCFSPeriodUsParam)

	...

	return float64(cfsQuotaUs) / float64(cfsPeriodUs), true, nil
}

小结

uber-go/automaxprocs 组件通过读取运行时环境中的 CGroups 相关配置文件，完成动态修改 GOMAXPROCS 功能。

automaxprocs 调用示意图

Reference

扩展阅读

cgroups package for Go

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