記錄一個軟中斷問題

前些天發現XEN虛擬機上的Nginx服務器存在一個問題：軟中斷太高，並且大部分都集中在同一個CPU，一旦系統繁忙，此CPU就會成爲木桶的短板。

在問題服務器上運行「top」命令能夠很明顯看到「si」存在異樣，大部分軟中斷都集中在 1 號CPU上，其它的CPU徹底使不上勁兒：

shell> top
Cpu0: 11.3%us,  4.7%sy,  0.0%ni, 82.5%id,  ...  0.8%si,  0.8%st
Cpu1: 21.3%us,  7.4%sy,  0.0%ni, 51.5%id,  ... 17.8%si,  2.0%st
Cpu2: 16.6%us,  4.5%sy,  0.0%ni, 77.7%id,  ...  0.8%si,  0.4%st
Cpu3: 15.9%us,  3.6%sy,  0.0%ni, 79.3%id,  ...  0.8%si,  0.4%st
Cpu4: 17.7%us,  4.9%sy,  0.0%ni, 75.3%id,  ...  1.2%si,  0.8%st
Cpu5: 23.6%us,  6.6%sy,  0.0%ni, 68.1%id,  ...  0.9%si,  0.9%st
Cpu6: 18.1%us,  4.9%sy,  0.0%ni, 75.7%id,  ...  0.4%si,  0.8%st
Cpu7: 21.1%us,  5.8%sy,  0.0%ni, 71.4%id,  ...  1.2%si,  0.4%st

查詢一下軟中斷相關數據，發現主要集中在 NET_RX 上，猜想是網卡問題：

shell> watch -d -n 1 'cat /proc/softirqs'
                CPU0       CPU1       CPU2 ...       CPU7
      HI:          0          0          0 ...          0
   TIMER: 3692566284 3692960089 3692546970 ... 3693032995
  NET_TX:  130800410  652649368  154773818 ...  308945843
  NET_RX:  443627492 3802219918  792341500 ... 2546517156
   BLOCK:          0          0          0 ...          0
BLOCK_IOPOLL:      0          0          0 ...          0
 TASKLET:          0          0          0 ...          0
   SCHED: 1518716295  335629521 1520873304 ... 1444792018
 HRTIMER:        160       1351        131 ...        196
     RCU: 4201292019 3982761151 4184401659 ... 4039269755

查詢宿主機，發現網卡其運行在單隊列模式下：

shell> grep -A 10 -i network /var/log/dmesg
Initalizing network drop monitor service
Intel(R) Gigabit Ethernet Network Driver - version 3.0.19
igb 0000:05:00.0: Intel(R) Gigabit Ethernet Network Connection
igb 0000:05:00.0: eth0: (PCIe:2.5GT/s:Width x4) 00:1b:21:bf:b3:2c
igb 0000:05:00.0: eth0: PBA No: G18758-002
igb 0000:05:00.0: Using MSI-X ... 1 rx queue(s), 1 tx queue(s)
igb 0000:05:00.1: Intel(R) Gigabit Ethernet Network Connection
igb 0000:05:00.1: eth1: (PCIe:2.5GT/s:Width x4) 00:1b:21:bf:b3:2d
igb 0000:05:00.1: eth1: PBA No: G18758-002
igb 0000:05:00.1: Using MSI-X ... 1 rx queue(s), 1 tx queue(s)

接着確認一下網卡的中斷號，由於是單隊列，因此只有一箇中斷號 45：

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shell> grep eth /proc/interrupts | awk '{print $1, $NF}'
45: eth0

知道了網卡的中斷號，就能夠查詢其中斷親緣性配置「smp_affinity」：

shell> cat /proc/irq/45/smp_affinity
02

這裏的 02 其實是十六進制，表示 1 號CPU，計算方法以下（參考資料）：

          Binary       Hex 
  CPU 0    0001         1 
  CPU 1    0010         2
  CPU 2    0100         4
+ CPU 3    1000         8
  -----------------------
  both     1111         f

說明：若是 4 個CPU都參與中斷處理，那麼設爲 f；同理 8 個CPU的就設置成 ff：

shell> echo ff > /proc/irq/45/smp_affinity

此外還有一個相似的配置「smp_affinity_list」：

shell> cat /proc/irq/45/smp_affinity_list
1

兩個配置是相通的，修改了一個，另外一個會跟着變。不過「smp_affinity_list」使用的是十進制，相比較「smp_affinity」的十六進制，可讀性更好些。

瞭解了這些基本知識，咱們能夠嘗試換一個CPU試試看會發生什麼：

echo 7 > /proc/irq/45/smp_affinity_list

再經過「top」命令觀察，會發現處理軟中斷的CPU變成了 7 號CPU。

說明：若是但願多個CPU參與中斷處理的話，可使用相似下面的語法：

echo 3,5 > /proc/irq/45/smp_affinity_list
echo 0-7 > /proc/irq/45/smp_affinity_list

壞消息是對單隊列網卡而言，「smp_affinity」和「smp_affinity_list」配置多CPU無效。

好消息是Linux支持RPS，通俗點來講就是在軟件層面模擬實現硬件的多隊列網卡功能。

首先看看如何配置RPS，若是CPU個數是 8 個的話，能夠設置成 ff：

shell> echo ff > /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus

接着配置內核參數rps_sock_flow_entries（官方文檔推薦設置： 32768）：

shell> sysctl net.core.rps_sock_flow_entries=32768

最後配置rps_flow_cnt，單隊列網卡的話設置成rps_sock_flow_entries便可：

echo 32768 > /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_flow_cnt

說明：若是是多隊列網卡，那麼就按照隊列數量設置成 rps_sock_flow_entries / N 。

作了如上的優化後，咱們再運行「top」命令能夠看到軟中斷已經分散到了兩個CPU：

shell> top
Cpu0: 24.8%us,  9.7%sy,  0.0%ni, 52.2%id,  ... 11.5%si,  1.8%st
Cpu1:  8.8%us,  5.1%sy,  0.0%ni, 76.5%id,  ...  7.4%si,  2.2%st
Cpu2: 17.6%us,  5.1%sy,  0.0%ni, 75.7%id,  ...  0.7%si,  0.7%st
Cpu3: 11.9%us,  7.0%sy,  0.0%ni, 80.4%id,  ...  0.7%si,  0.0%st
Cpu4: 15.4%us,  6.6%sy,  0.0%ni, 75.7%id,  ...  1.5%si,  0.7%st
Cpu5: 20.6%us,  6.9%sy,  0.0%ni, 70.2%id,  ...  1.5%si,  0.8%st
Cpu6: 12.9%us,  5.7%sy,  0.0%ni, 80.0%id,  ...  0.7%si,  0.7%st
Cpu7: 15.9%us,  5.1%sy,  0.0%ni, 77.5%id,  ...  0.7%si,  0.7%st

疑問：理論上講，我已經設置了RPS爲ff，應該全部 8 個CPU一塊兒分擔軟中斷纔對，可實際結果只有兩個，有知道緣由的請賜教，可是無論怎麼說，兩個總好過一個。

此外，由於這是一臺Nginx服務器，因此經過「worker_cpu_affinity」指令能夠配置Nginx使用哪些CPU，如此一來咱們即可以繞開高負載的CPU，對性能會有一些幫助。

補充：若是服務器是NUMA架構的話，那麼「numactl –cpubind」可能也會有用。

最後，推薦看看香草總結的一些關於軟中斷方面的資料和工具，很全面。