Red Hat Training

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17.5. 仮想マシンの CPU パフォーマンスの最適化

vCPU は、ホストマシンの物理 CPU と同様、仮想マシンのパフォーマンスにおいて極めて重要です。したがって、vCPU を最適化すると、仮想マシンのリソース効率に大きな影響を及ぼす可能性があります。vCPU を最適化するには、以下を実行します。

  1. 仮想マシンに割り当てられているホスト CPU の数を調整します。これは、CLI または Web コンソール を使用して実行できます。
  2. vCPU モデルが、ホストの CPU モデルに調整されていることを確認します。たとえば、仮想マシン testguest1 を、ホストの CPU モデルを使用するように設定するには、次のコマンドを実行します。

    # virt-xml testguest1 --edit --cpu host-model
  3. Kernel Same-page Merging (KSM) を無効にします
  4. ホストマシンが Non-Uniform Memory Access (NUMA) を使用する場合は、その仮想マシンに対して NUMA を設定 することもできます。これにより、ホストの CPU およびメモリープロセスが、仮想マシンの CPU およびメモリープロセスにできるだけ近くにマッピングされます。事実上、NUMA チューニングにより、仮想マシンに割り当てられたシステムメモリーへのより効率的なアクセスが可能になります。これにより、vCPU 処理の効果が改善されます。

    詳細は、仮想マシンで NUMA の設定 および サンプルの vCPU パフォーマンスチューニングシナリオ を参照してください。

17.5.1. コマンドラインインターフェイスを使用した仮想 CPU の追加と削除

仮想マシンの CPU パフォーマンスを増減するには、仮想マシンに割り当てられた仮想 CPU (vCPU) を追加または削除します。

実行中の仮想マシンで実行する場合、これは vCPU ホットプラグおよびホットアンプラグとも呼ばれます。ただし、RHEL 8 では vCPU のホットアンプラグに対応しておらず、Red Hat ではその使用を強く推奨していません。

前提条件

  • オプション: ターゲット仮想マシン内の vCPU の現在の状態を表示します。たとえば、仮想マシン testguest 上の仮想 CPU 数を表示するには、以下を実行します。

    # virsh vcpucount testguest
    maximum      config         4
    maximum      live           2
    current      config         2
    current      live           1

    この出力は、testguest が現在 1 vCPU を使用していることを示し、1 つ以上の vCPU をホットプラグして仮想マシンのパフォーマンスを向上できることを示しています。ただし、再起動後に使用される vCPU の testguest 数は 2 に変更され、2 以上の vCPU のホットプラグが可能になります。

手順

  1. 仮想マシンに割り当てることができる vCPU の最大数を調整します。これは、仮想マシンの次回起動時に有効になります。

    たとえば、仮想マシン testguest の vCPU の最大数を 8 に増やすには、次のコマンドを実行します。

    # virsh setvcpus testguest 8 --maximum --config

    最大値は、CPU トポロジー、ホストハードウェア、ハイパーバイザー、およびその他の要素によって制限される可能性があることに注意してください。

  2. 仮想マシンに割り当てられている現在の仮想 CPU の数を調整し、直前のステップで設定された最大数まで調整します。以下に例を示します。

    • 実行中の仮想マシン testguest にアタッチされている vCPU を 4 に増やすには、以下を実行します。

      # virsh setvcpus testguest 4 --live

      これにより、仮想マシンの次回の起動まで、仮想マシンのパフォーマンスおよび testguest のホスト負荷のフットプリントが高まります。

    • testguest 仮想マシンにアタッチされている vCPU の数を永続的に 1 に減らすには、次のコマンドを実行します。

      # virsh setvcpus testguest 1 --config

      これにより、仮想マシンの次回の起動後に、仮想マシンのパフォーマンスおよび testguest のホスト負荷のフットプリントが低下します。ただし、必要に応じて、仮想マシンに追加の vCPU をホットプラグして、一時的にパフォーマンスを向上させることができます。

検証

  • 仮想マシンの vCPU の現在の状態に変更が反映されていることを確認します。

    # virsh vcpucount testguest
    maximum      config         8
    maximum      live           4
    current      config         1
    current      live           4

17.5.2. Web コンソールを使用した仮想 CPU の管理

RHEL 9 Web コンソールを使用して、Web コンソールが接続している仮想マシンが使用する仮想 CPU を確認し、設定できます。

前提条件

手順

  1. 仮想マシン インターフェイスで、情報を表示する仮想マシンを選択します。

    新しいページが開き、選択した仮想マシンに関する基本情報を含む Overview セクションと、仮想マシンのグラフィカルインターフェイスにアクセスするための Console セクションが表示されます。

  2. 概要ペインで、vCPU の数の横にある 編集 をクリックします。

    vCPU の詳細ダイアログが表示されます。

    VM CPU 詳細ダイアログボックスを表示しているイメージ
  1. 選択した仮想マシンの仮想 CPU を設定します。

    • vCPU 数: 現在使用中の vCPU の数

      注記

      vCPU 数は、vCPU 最大値以下にする必要があります。

    • vCPU 最大値 - 仮想マシンに設定できる仮想 CPU の最大数を入力します。この値が vCPU 数 よりも大きい場合には、vCPU を追加で仮想マシンに割り当てることができます。
    • ソケット - 仮想マシンに公開するソケットの数を選択します。
    • ソケットごとのコア - 仮想マシンに公開する各ソケットのコア数を選択します。
    • コアあたりのスレッド - 仮想マシンに公開する各コアのスレッド数を選択します。

      SocketsCores per socket、および Threads per core オプションは、仮想マシンの CPU トポロジーを調整することに注意してください。これは、vCPU のパフォーマンスにメリットがあり、ゲスト OS の特定のソフトウェアの機能に影響を与える可能性があります。デプロイメントで別の設定が必要ない場合は、デフォルト値のままにします。

  2. Apply をクリックします。

    仮想マシンに仮想 CPU が設定されます。

    注記

    仮想 CPU 設定の変更は、仮想マシンの再起動後にのみ有効になります。

17.5.3. 仮想マシンでの NUMA の設定

以下の方法は、RHEL 8 ホストで、仮想マシンの Non-Uniform Memory Access (NUMA) 設定の設定に使用できます。

前提条件

  • ホストが NUMA 対応のマシンである。これを確認するには、virsh nodeinfo コマンドを使用して、NUMA cell(2) の行を確認します。

    # virsh nodeinfo
    CPU model:           x86_64
    CPU(s):              48
    CPU frequency:       1200 MHz
    CPU socket(s):       1
    Core(s) per socket:  12
    Thread(s) per core:  2
    NUMA cell(s):        2
    Memory size:         67012964 KiB

    行の値が 2 以上であると、そのホストは NUMA に対応しています。

手順

使いやすさのため、自動化ユーティリティーとサービスを使用して、仮想マシンの NUMA を設定できます。ただし、手動で NUMA を設定すると、パフォーマンスが大幅に向上する可能性が高くなります。

自動方式

  • 仮想マシンの NUMA ポリシーを Preferred に設定します。たとえば、仮想マシン testguest5 に対してこれを行うには、次のコマンドを実行します。

    # virt-xml testguest5 --edit --vcpus placement=auto
    # virt-xml testguest5 --edit --numatune mode=preferred
  • ホストで NUMA の自動負荷分散を有効にします。

    # echo 1 > /proc/sys/kernel/numa_balancing
  • umad サービスを起動して、メモリーリソースで仮想マシンの CPU を自動的に調整します。

    # systemctl start numad

手動方式

  1. 特定ホストの CPU、またはある範囲の CPU に特定の vCPU スレッドをピニングします。これは、NUMA 以外のホストおよび仮想マシンでも可能で、vCPU のパフォーマンスを向上させる安全な方法として推奨されています。

    たとえば、次のコマンドでは、仮想マシン testguest6 の vCPU スレッドの 0 から 5 を、ホストの CPU 1、3、5、7、9、11 にそれぞれピニングします。

    # virsh vcpupin testguest6 0 1
    # virsh vcpupin testguest6 1 3
    # virsh vcpupin testguest6 2 5
    # virsh vcpupin testguest6 3 7
    # virsh vcpupin testguest6 4 9
    # virsh vcpupin testguest6 5 11

    その後、これが成功したかどうかを確認できます。

    # virsh vcpupin testguest6
    VCPU   CPU Affinity
    ----------------------
    0      1
    1      3
    2      5
    3      7
    4      9
    5      11
  2. vCPU スレッドのピニング後に、指定の仮想マシンに関連付けられた QEMU プロセススレッドを、特定ホスト CPU、またはある範囲の CPU に固定することもできます。たとえば、以下のコマンドは、testguest6 の QEMU プロセススレッドを CPU 13 および 15 にピニングし、これが成功したことを確認します。

    # virsh emulatorpin testguest6 13,15
    # virsh emulatorpin testguest6
    emulator: CPU Affinity
    ----------------------------------
           *: 13,15
  3. これで、特定の仮想マシンに対して割り当てられるホストの NUMA ノードを指定することができます。これにより、仮想マシンの vCPU によるホストメモリーの使用率が向上します。たとえば、次のコマンドでは、ホスト NUMA ノード 3 ~ 5 を使用するように testguest6 を設定し、これが成功したかどうかを確認します。

    # virsh numatune testguest6 --nodeset 3-5
    # virsh numatune testguest6
注記

最善のパフォーマンス結果を得るためにも、上記の手動によるチューニングメソッドをすべて使用することが推奨されます。

17.5.4. vCPU のパフォーマンスチューニングシナリオ例

最適な vCPU パフォーマンスを得るためにも、たとえば以下のシナリオのように、手動で vcpupinemulatorpin、および numatune 設定をまとめて使用することが推奨されます。

開始シナリオ

  • ホストには以下のハードウェア仕様があります。

    • 2 つの NUMA ノード
    • 各ノードにある 3 つの CPU コア
    • 各コアにある 2 スレッド

    このようなマシンの virsh nodeinfo の出力は以下のようになります。

    # virsh nodeinfo
    CPU model:           x86_64
    CPU(s):              12
    CPU frequency:       3661 MHz
    CPU socket(s):       2
    Core(s) per socket:  3
    Thread(s) per core:  2
    NUMA cell(s):        2
    Memory size:         31248692 KiB
  • 既存の仮想マシンを変更して、8 つの vCPU を使用できるようにします。これは、1 つの NUMA ノードに収まらないことを意味します。

    したがって、各 NUMA ノードに 4 つの vCPU を分散し、vCPU トポロジーをホストトポロジーに可能な限り近づけるようにする必要があります。つまり、指定の物理 CPU のシブリングスレッドとして実行される vCPU は、同じコア上のホストスレッドに固定 (ピニング) される必要があります。詳細は、以下の ソリューション を参照してください。

解決方法

  1. ホストトポロジーに関する情報を取得します。

    # virsh capabilities

    この出力には、以下のようなセクションが含まれます。

    <topology>
      <cells num="2">
        <cell id="0">
          <memory unit="KiB">15624346</memory>
          <pages unit="KiB" size="4">3906086</pages>
          <pages unit="KiB" size="2048">0</pages>
          <pages unit="KiB" size="1048576">0</pages>
          <distances>
            <sibling id="0" value="10" />
            <sibling id="1" value="21" />
          </distances>
          <cpus num="6">
            <cpu id="0" socket_id="0" core_id="0" siblings="0,3" />
            <cpu id="1" socket_id="0" core_id="1" siblings="1,4" />
            <cpu id="2" socket_id="0" core_id="2" siblings="2,5" />
            <cpu id="3" socket_id="0" core_id="0" siblings="0,3" />
            <cpu id="4" socket_id="0" core_id="1" siblings="1,4" />
            <cpu id="5" socket_id="0" core_id="2" siblings="2,5" />
          </cpus>
        </cell>
        <cell id="1">
          <memory unit="KiB">15624346</memory>
          <pages unit="KiB" size="4">3906086</pages>
          <pages unit="KiB" size="2048">0</pages>
          <pages unit="KiB" size="1048576">0</pages>
          <distances>
            <sibling id="0" value="21" />
            <sibling id="1" value="10" />
          </distances>
          <cpus num="6">
            <cpu id="6" socket_id="1" core_id="3" siblings="6,9" />
            <cpu id="7" socket_id="1" core_id="4" siblings="7,10" />
            <cpu id="8" socket_id="1" core_id="5" siblings="8,11" />
            <cpu id="9" socket_id="1" core_id="3" siblings="6,9" />
            <cpu id="10" socket_id="1" core_id="4" siblings="7,10" />
            <cpu id="11" socket_id="1" core_id="5" siblings="8,11" />
          </cpus>
        </cell>
      </cells>
    </topology>
  2. (必要に応じて) 適用可能なツールおよびユーティリティー を使用して、仮想マシンのパフォーマンスをテストします。
  3. ホストに 1 GiB の Huge Page を設定してマウントします。

    注記

    1 GiB huge page は、ARM 64 ホストなどの一部のアーキテクチャーおよび設定では使用できない場合があります。

    1. ホストのカーネルコマンドラインに次の行を追加します。

      default_hugepagesz=1G hugepagesz=1G
    2. /etc/systemd/system/hugetlb-gigantic-pages.service ファイルを以下の内容で作成します。

      [Unit]
      Description=HugeTLB Gigantic Pages Reservation
      DefaultDependencies=no
      Before=dev-hugepages.mount
      ConditionPathExists=/sys/devices/system/node
      ConditionKernelCommandLine=hugepagesz=1G
      
      [Service]
      Type=oneshot
      RemainAfterExit=yes
      ExecStart=/etc/systemd/hugetlb-reserve-pages.sh
      
      [Install]
      WantedBy=sysinit.target
    3. /etc/systemd/hugetlb-reserve-pages.sh ファイルを以下の内容で作成します。

      #!/bin/sh
      
      nodes_path=/sys/devices/system/node/
      if [ ! -d $nodes_path ]; then
      	echo "ERROR: $nodes_path does not exist"
      	exit 1
      fi
      
      reserve_pages()
      {
      	echo $1 > $nodes_path/$2/hugepages/hugepages-1048576kB/nr_hugepages
      }
      
      reserve_pages 4 node1
      reserve_pages 4 node2

      これにより、4 つの 1GiB の Huge Page が node1 から予約され、さらに別の 4 つの 1 GiB の Huge Page が node2 から予約されます。

    4. 前の手順で作成したスクリプトを実行ファイルにします。

      # chmod +x /etc/systemd/hugetlb-reserve-pages.sh
    5. システムの起動時に Huge Page 予約を有効にします。

      # systemctl enable hugetlb-gigantic-pages
  4. virsh edit コマンドを使用して、最適化する仮想マシンの XML 設定 (この例では super-VM) を編集します。

    # virsh edit super-vm
  5. 次の方法で仮想マシンの XML 設定を調整します。

    1. 仮想マシンが 8 つの静的 vCPU を使用するように設定します。これを行うには、<vcpu/> 要素を使用します。
    2. トポロジーでミラーリングする、対応するホスト CPU スレッドに、各 vCPU スレッドをピニングします。これを行うには、<cputune> セクションの <vcpupin/> 要素を使用します。

      上記の virsh 機能 ユーティリティーで示されているように、ホストの CPU スレッドは、各コアで連続的に順次付けされません。また、vCPU スレッドは、同じ NUMA ノード上のホストのコアの利用可能な最大セットに固定される必要があります。表の図については、以下の トポロジーの例 セクションを参照してください。

      手順 a と b の XML 設定は次のようになります。

      <cputune>
        <vcpupin vcpu='0' cpuset='1'/>
        <vcpupin vcpu='1' cpuset='4'/>
        <vcpupin vcpu='2' cpuset='2'/>
        <vcpupin vcpu='3' cpuset='5'/>
        <vcpupin vcpu='4' cpuset='7'/>
        <vcpupin vcpu='5' cpuset='10'/>
        <vcpupin vcpu='6' cpuset='8'/>
        <vcpupin vcpu='7' cpuset='11'/>
        <emulatorpin cpuset='6,9'/>
      </cputune>
    3. 1 GiB の Huge Page を使用するように仮想マシンを設定します。

      <memoryBacking>
        <hugepages>
          <page size='1' unit='GiB'/>
        </hugepages>
      </memoryBacking>
    4. ホスト上で対応する NUMA ノードからメモリーを使用するように、仮想マシンの NUMA ノードを設定します。これを行うには、<numatune/> セクションの <memnode/> 要素を使用します。

      <numatune>
        <memory mode="preferred" nodeset="1"/>
        <memnode cellid="0" mode="strict" nodeset="0"/>
        <memnode cellid="1" mode="strict" nodeset="1"/>
      </numatune>
    5. CPU モードが host-passthrough に設定され、CPU が passthrough モードでキャッシュを使用していることを確認します。

      <cpu mode="host-passthrough">
        <topology sockets="2" cores="2" threads="2"/>
        <cache mode="passthrough"/>
  6. 仮想マシンの XML 設定に、以下のようなセクションが含まれていることを確認します。

    [...]
      <memoryBacking>
        <hugepages>
          <page size='1' unit='GiB'/>
        </hugepages>
      </memoryBacking>
      <vcpu placement='static'>8</vcpu>
      <cputune>
        <vcpupin vcpu='0' cpuset='1'/>
        <vcpupin vcpu='1' cpuset='4'/>
        <vcpupin vcpu='2' cpuset='2'/>
        <vcpupin vcpu='3' cpuset='5'/>
        <vcpupin vcpu='4' cpuset='7'/>
        <vcpupin vcpu='5' cpuset='10'/>
        <vcpupin vcpu='6' cpuset='8'/>
        <vcpupin vcpu='7' cpuset='11'/>
        <emulatorpin cpuset='6,9'/>
      </cputune>
      <numatune>
        <memory mode="preferred" nodeset="1"/>
        <memnode cellid="0" mode="strict" nodeset="0"/>
        <memnode cellid="1" mode="strict" nodeset="1"/>
      </numatune>
      <cpu mode="host-passthrough">
        <topology sockets="2" cores="2" threads="2"/>
        <cache mode="passthrough"/>
        <numa>
          <cell id="0" cpus="0-3" memory="2" unit="GiB">
            <distances>
              <sibling id="0" value="10"/>
              <sibling id="1" value="21"/>
            </distances>
          </cell>
          <cell id="1" cpus="4-7" memory="2" unit="GiB">
            <distances>
              <sibling id="0" value="21"/>
              <sibling id="1" value="10"/>
            </distances>
          </cell>
        </numa>
      </cpu>
    </domain>
  7. (必要に応じて) アプリケーションツールおよびユーティリティー を使用して仮想マシンのパフォーマンスをテストし、仮想マシンの最適化への影響を評価します。

トポロジーの例

  • 以下の表は、ピニングされる必要のある vCPU とホスト CPU 間の接続を示しています。

    表17.1 ホストトポロジー

    CPU スレッド

    0

    3

    1

    4

    2

    5

    6

    9

    7

    10

    8

    11

    コア

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    ソケット

    0

    1

    NUMA ノード

    0

    1

    表17.2 仮想マシントポロジー

    vCPU スレッド

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    コア

    0

    1

    2

    3

    ソケット

    0

    1

    NUMA ノード

    0

    1

    表17.3 ホストと仮想マシントポロジーの組み合わせ

    vCPU スレッド

     

    0

    1

    2

    3

     

    4

    5

    6

    7

    ホストの CPU スレッド

    0

    3

    1

    4

    2

    5

    6

    9

    7

    10

    8

    11

    コア

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    ソケット

    0

    1

    NUMA ノード

    0

    1

    このシナリオでは、2 つの NUMA ノードと 8 つの vCPU があります。したがって、4 つの vCPU スレッドは各ノードに固定 (ピニング) される必要があります。

    また、Red Hat では、ホストシステムの操作のために、各ノードで少なくとも 1 つの CPU スレッドを使用できるようにしておくことを推奨します。

    以下の例では、NUMA ノードにはそれぞれ 3 コアで、2 個のホスト CPU スレッドがあるため、ノード 0 のセットは、以下のように変換できます。

    <vcpupin vcpu='0' cpuset='1'/>
    <vcpupin vcpu='1' cpuset='4'/>
    <vcpupin vcpu='2' cpuset='2'/>
    <vcpupin vcpu='3' cpuset='5'/>

17.5.5. Kernel Same-page Merging の無効化

Kernel same-page merging (KSM) はメモリーの密度を向上させますが、CPU 使用率が増え、ワークロードによっては全体のパフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。このような場合には、KSM を無効にすることで、仮想マシンのパフォーマンスを向上させることができます。

要件に応じて、KSM を 1 回のセッションだけ無効にしたり、永続的に無効にしたりできます。

手順

  • KSM をセッション 1 回分無効にするには、systemctl ユーティリティーを使用して ksm サービスおよび ksmtuned サービスを停止します。

    # systemctl stop ksm
    
    # systemctl stop ksmtuned
  • KSM を永続的に無効にするには、systemctl ユーティリティーを使用して ksm サービスおよび ksmtuned サービスを無効にします。

    # systemctl disable ksm
    Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ksm.service.
    # systemctl disable ksmtuned
    Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ksmtuned.service.
注記

KSM を無効にする前に仮想マシン間で共有されていたメモリーページは、そのまま共有されます。共有を停止するには、以下のコマンドを使用して、システムの PageKSM ページをすべて削除します。

# echo 2 > /sys/kernel/mm/ksm/run

KSM ページを匿名ページに置き換えると、khugepaged カーネルサービスは仮想マシンの物理メモリーに透過的なヒュージページを再ビルドします。