Linux 性能调优之虚拟化调优

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。

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- 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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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

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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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$

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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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。

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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。

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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。

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh vcpupin serverc 0 0
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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。

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh vcpupin serverc 0 0-5

┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh vcpupin serverc
VCPU: CPU Affinity
----------------------------------
   0: 0-5
   1: 0-7

查看某个虚拟机的内存信息

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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

┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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)

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh setmem workstation --size 2097152

查看虚拟机内存限制

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh memtune workstation
hard_limit     : unlimited
soft_limit     : unlimited
swap_hard_limit: unlimited

设置虚拟机内存限制

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh memtune workstation  --hard-limit 2G --soft-limit 1G
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh memtune workstation
hard_limit     : 2097152
soft_limit     : 1048576
swap_hard_limit: unlimited

┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$

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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$systemctl status ksm
ksm.service       ksmtuned.service

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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.
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$

可以通过/sys/kerel/mm/ksm/目录下的参数，设置调优参数:

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$cat /sys/kernel/mm/ksm/
full_scans                          pages_to_scan                       stable_node_chains
max_page_sharing                    pages_unshared                      stable_node_chains_prune_millisecs
merge_across_nodes                  pages_volatile                      stable_node_dups
pages_shared                        run                                 use_zero_pages
pages_sharing                       sleep_millisecs
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$cat /sys/kernel/mm/ksm/run
0
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$

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.

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nodecpustats      nodedev-destroy   nodedev-dumpxml   nodedev-list      nodedev-reset     node-memory-tune  nodesuspend
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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

┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$virsh node-memory-tune --shm-sleep-millisecs 30

┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$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

┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$cat /sys/kernel/mm/ksm/sleep_millisecs
30
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$

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:

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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/var/lib/libvirt/images]
└─$qemu-img create -f qcow2 -b /var/lib/libvirt/images/disk.qcow2 disk-snap.qcow2 30G
Formatting 'disk-snap.qcow2', fmt=qcow2 size=32212254720 backing_file=/var/lib/libvirt/images/disk.qcow2 cluster_size=65536 lazy_refcounts=off refcount_bits=16
┌──[root@liruilongs.github.io]-[/var/lib/libvirt/images]
└─$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
┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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。

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/var/lib/libvirt/images]
└─$virsh  blkdeviotune workstation  vda --total-iops-sec 1000 --total-bytes-sec 10MB

┌──[root@liruilongs.github.io]-[/var/lib/libvirt/images]
└─$virsh dumpxml workstation | grep -A2 iotune
      <iotune>
        <total_bytes_sec>10000000</total_bytes_sec>
        <total_iops_sec>1000</total_iops_sec>
      </iotune>
      <alias name='virtio-disk0'/>
      <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x0'/>
┌──[root@liruilongs.github.io]-[/var/lib/libvirt/images]
└─$

虚拟化性能监控

查看设备 IO 信息

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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

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┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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

┌──[root@liruilongs.github.io]-[/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 》

性能虚拟机 linux 虚拟化内存

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