在Linux系統中限制CPU占用率的教程

 　　Linux內核是一名了不起的馬戲表演者，它在進程和系統資源間小心地玩著雜耍，並保持系統的正常運轉。 同時，內核也很公正：它將資源公平地分配給各個進程。

　　但是，如果你需要給一個重要進程提高優先級時，該怎麼做呢? 或者是，如何降低一個進程的優先級? 又或者，如何限制一組進程所使用的資源呢?

　　答案是需要由用戶來為內核指定進程的優先級

　　大部分進程啟動時的優先級是相同的，因此Linux內核會公平地進行調度。 如果想讓一個CPU密集型的進程運行在較低優先級，那麼你就得事先配置好調度器。

　　下面介紹3種控制進程運行時間的方法：

　　使用 nice 命令手動降低任務的優先級。

　　使用 cpulimit 命令不斷的暫停進程，以控制進程所占用處理能力不超過特定限制。

　　使用linux內建的control groups(控制組)功能，它提供了限制進程資源消耗的機制。

　　我們來看一下這3個工具的工作原理和各自的優缺點。

　　模擬高cpu占用率

　　在分析這3種技術前，我們要先安裝一個工具來模擬高CPU占用率的場景。我們會用到CentOS作為測試系統，並使用Mathomatic toolkit中的質數生成器來模擬CPU負載。

　　很不幸，在CentOS上這個工具沒有預編譯好的版本，所以必須要從源碼進行安裝。先從 http://mathomatic.orgserve.de/mathomatic-16.0.5.tar.bz2 這個鏈接下載源碼包並解壓。然後進入 mathomatic-16.0.5/primes 文件夾，運行 make 和 sudo make install 進行編譯和安裝。這樣，就把 matho-primes 程序安裝到了 /usr/local/bin 目錄中。

　　接下來，通過命令行運行：

　　代碼如下:

　　/usr/local/bin/matho-primes 0 9999999999 > /dev/null &

　　程序運行後，將輸出從0到9999999999之間的質數。因為我們並不需要這些輸出結果，直接將輸出重定向到/dev/null就好。

　　現在，使用top命令就可以看到matho-primes進程搾干了你所有的cpu資源。

　　好了，接下來(按q鍵)退出 top 並殺掉 matho-primes 進程(使用 fg 命令將進程切換到前台，再按 CTRL+C)

　　nice命令

　　下面介紹一下nice命令的使用方法，nice命令可以修改進程的優先級，這樣就可以讓進程運行得不那麼頻繁。 這個功能在運行cpu密集型的後台進程或批處理作業時尤為有用。 nice值的取值范圍是[-20,19],-20表示最高優先級，而19表示最低優先級。 Linux進程的默認nice值為0。使用nice命令(不帶任何參數時)可以將進程的nice值設置為10。這樣調度器就會將此進程視為較低優先級的進程，從而減少cpu資源的分配。

　　下面來看一個例子，我們同時運行兩個 matho-primes 進程，一個使用nice命令來啟動運行，而另一個正常啟動運行：

　　代碼如下:

　　nice matho-primes 0 9999999999 > /dev/null &

　　matho-primes 0 9999999999 > /dev/null &

　　再運行top命令。

　　看到沒，正常運行的進程(nice值為0)獲得了更多的cpu運行時間，相反的，用nice命令運行的進程占用的cpu時間會較少(nice值為10)。

　　在實際使用中，如果你要運行一個CPU密集型的程序，那麼最好用nice命令來啟動它，這樣就可以保證其他進程獲得更高的優先級。 也就是說，即使你的服務器或者台式機在重載的情況下，也可以快速響應。

　　nice 還有一個關聯命令叫做 renice，它可以在運行時調整進程的 nice 值。使用 renice 命令時，要先找出進程的 PID。下面是一個例子：

　　代碼如下:

　　renice +10 1234

　　其中，1234是進程的 PID。

　　測試完 nice 和 renice 命令後，記得要將 matho-primes 進程全部殺掉。

　　cpulimit命令

　　接下來介紹 cpulimit 命令的用法。 cpulimit 命令的工作原理是為進程預設一個 cpu 占用率門限，並實時監控進程是否超出此門限，若超出則讓該進程暫停運行一段時間。cpulimit 使用 SIGSTOP 和 SIGCONT 這兩個信號來控制進程。它不會修改進程的 nice 值，而是通過監控進程的 cpu 占用率來做出動態調整。

　　cpulimit 的優勢是可以控制進程的cpu使用率的上限值。但與 nice 相比也有缺點，那就是即使 cpu 是空閒的，進程也不能完全使用整個 cpu 資源。

　　在 CentOS 上，可以用下面的方法來安裝它：

　　代碼如下:

　　wget -O cpulimit.zip https://github.com/opsengine/cpulimit/archive/master.zip

　　unzip cpulimit.zip

　　cd cpulimit-master

　　make

　　sudo cp src/cpulimit /usr/bin

　　上面的命令行，會先從從 GitHub 上將源碼下載到本地，然後再解壓、編譯、並安裝到 /usr/bin 目錄下。

　　cpulimit 的使用方式和 nice 命令類似，但是需要用戶使用 -l 選項顯式地定義進程的 cpu 使用率上限值。舉例說明：

　　代碼如下:

　　cpulimit -l 50 matho-primes 0 9999999999 > /dev/null &

　　從上面的例子可以看出 matho-primes 只使用了50%的 cpu 資源，剩余的 cpu 時間都在 idle。

　　cpulimit 還可以在運行時對進程進行動態限制，使用 -p 選項來指定進程的 PID，下面是一個實例：

　　代碼如下:

　　cpulimit -l 50 -p 1234

　　其中，1234是進程的 PID。

　　cgroups 命令集

　　最後介紹，功能最為強大的控制組(cgroups)的用法。cgroups 是 Linux 內核提供的一種機制，利用它可以指定一組進程的資源分配。 具體來說，使用 cgroups，用戶能夠限定一組進程的 cpu 占用率、系統內存消耗、網絡帶寬，以及這幾種資源的組合。

　　對比nice和cpulimit，cgroups 的優勢在於它可以控制一組進程，不像前者僅能控制單進程。同時，nice 和 cpulimit 只能限制 cpu 使用率，而 cgroups 則可以限制其他進程資源的使用。

　　對 cgroups 善加利用就可以控制好整個子系統的資源消耗。就拿 CoreOS 作為例子，這是一個專為大規模服務器部署而設計的最簡化的 Linux 發行版本，它的 upgrade 進程就是使用 cgroups 來管控。這樣，系統在下載和安裝升級版本時也不會影響到系統的性能。

　　下面做一下演示，我們將創建兩個控制組(cgroups)，並對其分配不同的 cpu 資源。這兩個控制組分別命名為“cpulimited”和“lesscpulimited”。

　　使用 cgcreate 命令來創建控制組，如下所示：

　　代碼如下:

　　sudo cgcreate -g cpu:/cpulimited

　　sudo cgcreate -g cpu:/lesscpulimited

　　其中“-g cpu”選項用於設定 cpu 的使用上限。除 cpu 外，cgroups 還提供 cpuset、memory、blkio 等控制器。cpuset 控制器與 cpu 控制器的不同在於，cpu 控制器只能限制一個 cpu 核的使用率，而 cpuset 可以控制多個 cpu 核。

　　cpu 控制器中的 cpu.shares 屬性用於控制 cpu 使用率。它的默認值是 1024，我們將 lesscpulimited 控制組的 cpu.shares 設為1024(默認值)，而 cpulimited 設為512，配置後內核就會按照2：1的比例為這兩個控制組分配資源。

　　要設置 cpulimited 組的 cpu.shares 為 512，輸入以下命令：

　　代碼如下:

　　sudo cgset -r cpu.shares=512 cpulimited

　　使用 cgexec 命令來啟動控制組的運行，為了測試這兩個控制組，我們先用cpulimited 控制組來啟動 matho-primes 進程，命令行如下：

　　代碼如下:

　　sudo cgexec -g cpu:cpulimited /usr/local/bin/matho-primes 0 9999999999 > /dev/null &

　　打開 top 可以看到，matho-primes 進程占用了所有的 cpu 資源。

　　因為只有一個進程在系統中運行，不管將其放到哪個控制組中啟動，它都會盡可能多的使用cpu資源。cpu 資源限制只有在兩個進程爭奪cpu資源時才會生效。

　　那麼，現在我們就啟動第二個 matho-primes 進程，這一次我們在 lesscpulimited 控制組中來啟動它：

　　代碼如下:

　　sudo cgexec -g cpu:lesscpulimited /usr/local/bin/matho-primes 0 9999999999 > /dev/null &

　　再打開 top 就可以看到，cpu.shares 值大的控制組會得到更多的 cpu 運行時間。

　　現在，我們再在 cpulimited 控制組中增加一個 matho-primes 進程：

　　代碼如下:

　　sudo cgexec -g cpu:cpuli