记录一个软中断问题

前些天发现XEN虚拟机上的Nginx服务器存在一个问题:软中断过高,而且大部分都集中在同一个CPU,一旦系统繁忙,此CPU就会成为木桶的短板。

在问题服务器上运行「top」命令可以很明显看到「si」存在异样,大部分软中断都集中在 1 号CPU上,其它的CPU完全使不上劲儿:

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

查询一下软中断相关数据,发现主要集中在 NET_RX 上,猜测是网卡问题:

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

查询宿主机,发现网卡其运行在单队列模式下:

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)

接着确认一下网卡的中断号,因为是单队列,所以只有一个中断号 45:

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

知道了网卡的中断号,就可以查询其中断亲缘性配置「smp_affinity」:

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

这里的 02 实际上是十六进制,表示 1 号CPU,计算方法如下(参考资料):

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

说明:如果 4 个CPU都参与中断处理,那么设为 f;同理 8 个CPU的就设置成 ff:

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

此外还有一个类似的配置「smp_affinity_list」:

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

两个配置是相通的,修改了一个,另一个会跟着变。不过「smp_affinity_list」使用的是十进制,相比较「smp_affinity」的十六进制,可读性更好些。

了解了这些基本知识,我们可以尝试换一个CPU试试看会发生什么:

echo 7 > /proc/irq/45/smp_affinity_list

再通过「top」命令观察,会发现处理软中断的CPU变成了 7 号CPU。

说明:如果希望多个CPU参与中断处理的话,可以使用类似下面的语法:

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

坏消息是对单队列网卡而言,「smp_affinity」和「smp_affinity_list」配置多CPU无效。

好消息是Linux支持RPS,通俗点来说就是在软件层面模拟实现硬件的多队列网卡功能。

首先看看如何配置RPS,如果CPU个数是 8 个的话,可以设置成 ff:

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

接着配置内核参数rps_sock_flow_entries(官方文档推荐设置: 32768):

shell> sysctl net.core.rps_sock_flow_entries=32768

最后配置rps_flow_cnt,单队列网卡的话设置成rps_sock_flow_entries即可:

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

说明:如果是多队列网卡,那么就按照队列数量设置成 rps_sock_flow_entries / N 。

做了如上的优化后,我们再运行「top」命令可以看到软中断已经分散到了两个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

疑问:理论上讲,我已经设置了RPS为ff,应该所有 8 个CPU一起分担软中断才对,可实际结果只有两个,有知道原因的请赐教,但是不管怎么说,两个总好过一个。

此外,因为这是一台Nginx服务器,所以通过「worker_cpu_affinity」指令可以配置Nginx使用哪些CPU,如此一来我们便可以绕开高负载的CPU,对性能会有一些帮助。

补充:如果服务器是NUMA架构的话,那么「numactl –cpubind」可能也会有用。

最后,推荐看看香草总结的一些关于软中断方面的资料工具,很全面。

记录一个软中断问题》上有8条评论

  1. 我和我朋友在kvm上遇到基本类似的问题,老版本的centos的内核对virtio方式的网卡支持不好,升级centos plus提供的内核后,中断问题得以解决,这个思路你是否可以参考下?

    • 能问下你们kvm virtio的问题和解决方法吗?有相关Link吗。
      非常感谢。

      -Jianyong

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