# k8s 控制节点上的 CPU 管理策略

按照设计，k8s 对 pod 执行相关的很多方面进行了抽象，使得用户不必关心。然而，为了正常运行，有些工作负载要求在延迟和/或性能方面有更强的保证。为此，kubelet 提供方法来实现更复杂的负载放置策略，同时保持抽象，避免显式的放置指令。

# CPU 管理策略

默认情况下，kubelet 使用 CFS 配额来执行 pod 的 CPU 约束。当节点上运行了很多 CPU 密集的 pod 时，工作负载可能会迁移到不同的 CPU 核，这取决于调度时 pod 是否被扼制，以及哪些 CPU 核是可用的。许多工作负载对这种迁移不敏感，因此无需任何干预即可正常工作。

然而，有些工作负载的性能明显地受到 CPU 缓存亲和性以及调度延迟的影响，对此，kubelet 提供了可选的 CPU 管理策略，来确定节点上的一些分配偏好。

# 配置

CPU 管理器（CPU Manager）作为 alpha 特性引入 k8s 1.8 版本。必须在 kubelet 特性开关中显式启用： --feature-gates=CPUManager=true。

CPU 管理策略通过 kubelet 参数 --cpu-manager-policy 来指定，有两种支持策略：

none：默认策略，表示现有的调度行为。
static：允许为节点上具有某些资源特征的 pod 赋予增强的 CPU 亲和性和独占性。

CPU 管理器定期通过 CRI 写入资源更新，以保证内存中 CPU 分配与 cgroupfs 一致。同步频率通过新增的 Kubelet 配置参数 --cpu-manager-reconcile-period 来设置。如不指定，默认与 --node-status-update-frequency 的周期相同。

# None 策略

none 策略显式地启用现有的默认 CPU 亲和方案，不提供操作系统调度器默认行为之外的亲和性策略。通过 CFS 配额来实现 Guaranteed pods 的 CPU 使用限制。

# Static 策略

static 策略针对具有整数型 CPU requests 的 pod，它允许该类 pod 中的容器访问节点上的独占 CPU 资源。这种独占性是使用 cpuset cgroup 控制器来实现的。

注意: 诸如容器运行时和 kubelet 本身的系统服务可以继续在这些独占 CPU 上运行。独占性仅针对其他 pod。

注意: 该策略的 alpha 版本不保证 Kubelet 重启前后的静态独占性分配。

该策略管理一个共享 CPU 资源池，最初，该资源池包含节点上所有的 CPU 资源。可用的独占性 CPU 资源数量等于节点的 CPU 总量减去通过 --kube-reserved 或 --system-reserved 参数保留的 CPU。通过这些参数预留的 CPU 是以整数方式，按物理内核 ID 升序从初始共享池获取的。共享池是 BestEffort 和 Burstable pod 运行的 CPU 集合。Guaranteed pod 中的容器，如果声明了非整数值的 CPU requests，也将运行在共享池的 CPU 上。只有 Guaranteed pod 中，指定了整数型 CPU requests 的容器，才会被分配独占 CPU 资源。

注意: 当启用 static 策略时，要求使用 --kube-reserved 和/或 --system-reserved 来保证预留的 CPU 值大于零。这是因为零预留 CPU 值可能使得共享池变空。

当 Guaranteed pod 调度到节点上时，如果其容器符合静态分配要求，相应的 CPU 会被从共享池中移除，并放置到容器的 cpuset 中。因为这些容器所使用的 CPU 受到调度域本身的限制，所以不需要使用 CFS 配额来进行 CPU 的绑定。换言之，容器 cpuset 中的 CPU 数量与 pod 规格中指定的整数型 CPU limit 相等。这种静态分配增强了 CPU 亲和性，减少了 CPU 密集的工作负载在节流时引起的上下文切换。

考虑以下 Pod 规格的容器：

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx

该 pod 属于 BestEffort 服务质量类型，因为其未指定 requests 或 limits 值。所以该容器运行在共享 CPU 池中。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
      requests:
        memory: "100Mi"

该 pod 属于 Burstable 服务质量类型，因为其资源 requests 不等于 limits，且未指定 cpu 数量。所以该容器运行在共享 CPU 池中。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"
      requests:
        memory: "100Mi"
        cpu: "1"

该 pod 属于 Burstable 服务质量类型，因为其资源 requests 不等于 limits。所以该容器运行在共享 CPU 池中。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"

该 pod 属于 Guaranteed 服务质量类型，因为其 requests 值与 limits 相等。同时，容器对 CPU 资源的限制值是一个大于或等于 1 的整数值。所以，该 nginx 容器被赋予 2 个独占 CPU。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "1.5"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "1.5"

该 pod 属于 Guaranteed 服务质量类型，因为其 requests 值与 limits 相等。但是容器对 CPU 资源的限制值是一个小数。所以该容器运行在共享 CPU 池中。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"

该 pod 属于 Guaranteed 服务质量类型，因其指定了 limits 值，同时当未显式指定时，requests 值被设置为与 limits 值相等。同时，容器对 CPU 资源的限制值是一个大于或等于 1 的整数值。所以，该 nginx 容器被赋予 2 个独占 CPU。