CPU Burst有副作用吗？让数学来回答！| 龙蜥技术
簡介：?使用CPU Burst的副作用是什么？是否有不適用的場景呢？戳我給你答案~
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編者按：CPU Burst 特性已合入 Linux 5.14，Anolis OS 8.2、Alibaba Cloud Linux2、Alibaba Cloud Linux3也都支持CPU Burst特性。
在系列文章的上篇中，我們討論了讓人討厭的 CPU 限流，它會影響運行在容器中的應用的一些關鍵指標。為了避免限流的出現，有時我們不得不犧牲容器部署密度，從而導致資源浪費的產生。在解決方案部分，我們也介紹了新的CPU Burst 技術，通過這一技術，我們既能保證容器運行服務質量，又不降低容器部署密度。聽起來有點像個銀彈啊？那么，使用CPU Burst的副作用是什么？是否有不適用的場景呢？為了回答這個問題，本文將介紹CPU Burst打破的調度保證，以及CPU Burst影響評估。盡管這些CPU突發的使用造成的CPU使用差異在CPU利用率上很多時候不明顯，但是我們仍然關心這種改變的影響。當然，結論是明確的：CPU Burst的負面影響完全可以忽略。僅在CPU利用率高達70%的環境里CPU Burst開始影響關鍵指標，而我相信大家日常生產環境的CPU利用率都遠遠低于這個水平。
CPU Bandwidth Controller的保證
使用CPU Bandwidth Controller可以避免某些進程消耗過多CPU時間，并確保所有需要CPU的進程都拿到足夠的CPU時間。之所以有這樣好的穩定性保證，是因為當Bandwidth Controller設置滿足
時，有如下的調度穩定性約束：
其中
是第i個cgroup的quota，是一個period內該cgroup的CPU需求。Bandwidth Controller對每個周期分別做CPU時間統計，調度穩定性約束保證在一個period內提交的全部任務都能在該周期內處理完；對每個CPU cgroup而言，這意味著任何時候提交的任務都能在一個period內執行完，即任務實時性約束：
不管任務優先級如何，最壞情況下任務執行時間（WCET, Worst-Case Execution Time）不超過一個period。
假如持續出現
調度器穩定性被打破，在每個period都有任務積攢下來，新提交的作業執行時間不斷增加。
使用CPU Burst的影響
出于改善服務質量的需要，我們使用CPU Burst允許突發的CPU使用之后，對調度器的穩定性產生什么影響？答案是當多個cgroup同時突發使用CPU，調度器穩定性約束和任務實時性保證有可能被打破。這時候兩個約束得到保證的概率是關鍵，如果兩個約束得到保證的概率很高，對大多數周期來任務實時性都得到保證，可以放心大膽使用CPU Burst；如果任務實時性得到保證的概率很低，這時候要改善服務質量不能直接使用CPU Burst，應該先降低部署密度提高CPU資源配置。于是下一個關心的問題是，怎么計算特定場景下兩個約束被打破的概率。
評估影響大小
定量計算可以定義成經典的排隊論問題，并且用蒙特卡洛模擬方法求解。定量計算的結果表明，判斷當前場景是否可以使用CPU Burst的主要影響因素是平均CPU利用率和cgroup數目。CPU利用率越低，或者cgroup數目越多，兩個約束越不容易被打破可以放心使用CPU Burst。反之如果CPU利用率很高或者cgroup數目較少，要消除CPU限流對進程執行的影響，應該降低部署提高配置再使用CPU Burst。問題定義是：一共有m個cgroup，每個cgroup的quota限制為1/m，每個cgroup在每個周期產生的計算需求（CPU利用率）服從某個具體分布，這些分布是相互獨立的。假設任務在每個周期的開始到達，如果該周期內的CPU需求超過100%，當前周期任務WCET超過1個period，超過的部分累積下來和下個周期新產生的CPU需求一起在下個需求處理。輸入是cgroup的數目m和每個CPU需求滿足的具體分布，輸出是每個周期結束WCET > period的概率和WCET期望。使用蒙特卡洛模擬求解過程省略，詳細請關注后續系列文章。以輸入的CPU需求為帕累托分布、m=10/20/30的結果為例進行說明。選擇帕累托分布進行說明的原因是它產生比較多的長尾CPU突發使用，容易產生較大影響。表格中數據項的格式為
，其中
越接近1越好，
概率越低越好。
| u_avg | m=10 | m=20 | m=30 |
| 10% | 1.0000/0.00% | 1.0000/0.00% | 1.0000/0.00% |
| 30% | 1.0000/0.00% | 1.0000/0.00% | 1.0000/0.00% |
| 50% | 1.0003/0.03% | 1.0000/0.00% | 1.0000/0.00% |
| 70% | 1.0077/0.66% | 1.0013/0.12% | 1.0004/0.04% |
| 90% | 1.4061/19.35% | 1.1626/10.61% | 1.0867/6.52% |
結果跟直覺是吻合的。一方面，CPU需求（CPU利用率）越高，CPU突發越容易打破穩定性約束，造成任務WCET期望變長。另一方面，CPU需求獨立分布的cgroup數目越多，它們同時產生CPU突發需求的可能性越低，調度器穩定性約束越容易保持，WCET的期望越接近1個period。
后續
看完本文相信您對CPU Burst的影響已經有了定性了解。如果希望對評估方法有更多了解，請期待系列文章的下篇。
關于作者
常懷鑫（一齋），阿里云內核組工程師，擅長CPU調度領域。
丁天琛(鷹羽)，2021年加入阿里云內核組，目前在調度領域等方面學習研究
原文鏈接
本文為阿里云原創內容，未經允許不得轉載。?
總結
以上是生活随笔為你收集整理的CPU Burst有副作用吗？让数学来回答！| 龙蜥技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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