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14.5. 优化虚拟机 CPU 性能

与主机中的物理 CPU 非常相似，vCPU 对虚拟机 (VM) 性能至关重要。因此，优化 vCPU 会对虚拟机的资源效率产生重大影响。优化 vCPU：

调整分配给虚拟机的主机 CPU 数。您可以使用 CLI 或 Web 控制台进行此操作。
确保 vCPU 模型与主机的 CPU 型号一致。例如，将 testguest1 虚拟机设置为使用主机的 CPU 型号：
```
# virt-xml testguest1 --edit --cpu host-model
```
停止内核同页合并(KSM) 。
如果您的主机使用非统一内存访问(NUMA)，您也可以为其虚拟机 配置 NUMA。这会尽可能将主机的 CPU 和内存进程映射到虚拟机的 CPU 和内存进程上。实际上，NUMA 调优为 vCPU 提供了对分配给虚拟机的系统内存更精简的访问，这可以提高 vCPU 的处理效率。
详情请参阅在虚拟机中配置 NUMA 和 vCPU 性能调整场景示例。

14.5.1. 使用命令行界面添加和删除虚拟 CPU

要提高或优化虚拟机 (VM) 的 CPU 性能，您可以添加或删除分配给虚拟机的虚拟 CPU (vCPU) 。

当在运行的虚拟机上执行时，这也被称为 vCPU 热插和热拔。但请注意，vCPU 热拔在 RHEL 8 中不支持，红帽强烈反对使用它。

先决条件

可选：查看目标虚拟机中的 vCPU 的当前状态。例如，显示 testguest 虚拟机上的 vCPU 数量：
```
# virsh vcpucount testguest
maximum      config         4
maximum      live           2
current      config         2
current      live           1
```
此输出显示 testguest 目前使用 1 个 vCPU，另外 1 个 vCPu 可以热插入以提高虚拟机性能。但是，重新引导后，vCPU testguest 使用的数量会改为 2，而且能够热插 2 个 vCPU。

流程

调整可以附加到虚拟机的最大 vCPU 数量，其在虚拟机下次启动时生效。
例如，要将 testguest 虚拟机的最大 vCPU 数量增加到 8:
```
# virsh setvcpus testguest 8 --maximum --config
```
请注意，最大值可能会受 CPU 拓扑、主机硬件、hypervisor 和其他因素的限制。
将当前附加到虚拟机的 vCPU 数量调整到上一步中配置的最大值。例如：
- 将附加到正在运行的 testguest 虚拟机的 vCPU 数量增加到 4:
```
# virsh setvcpus testguest 4 --live
```
  这会增加虚拟机的性能和主机的 testguest 负载占用，直到虚拟机下次引导为止。
- 将附加到 testguest 虚拟机的 vCPU 数量永久减少至 1：
```
# virsh setvcpus testguest 1 --config
```
  这会降低虚拟机的性能和 testguest 的主机负载占用。但是，如果需要可热插入虚拟机以暂时提高性能。

验证

确认虚拟机的 vCPU 的当前状态反映了您的更改。

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

其他资源

使用 Web 控制台管理虚拟 CPU

14.5.2. 使用 Web 控制台管理虚拟 CPU

通过使用 RHEL 8 web 控制台，您可以查看并配置 web 控制台连接的虚拟机所使用的虚拟 CPU。

前提条件

Web 控制台 VM 插件已安装在您的系统上。

步骤

在 Virtual Machines 界面中，点您要查看其信息的虚拟机。
此时将打开一个新页面，其中包含关于所选虚拟机基本信息的概述部分，以及用于访问虚拟机的图形界面的控制台部分。
点概述窗格中 vCPU 数旁边的 edit。
此时会出现 vCPU 详情对话框。

为所选虚拟机配置虚拟 CPU。
- vCPU 数量 - 当前正在使用的 vCPU 数量。
  注意
  vCPU 数量不能超过 vCPU 的最大值。
- vCPU 最大 - 可为虚拟机配置的最大虚拟 CPU 数。如果这个值大于 vCPU Count，可以为虚拟机附加额外的 vCPU。
- 插槽 - 向虚拟机公开的插槽数量。
- 每个插槽的内核数 - 向虚拟机公开的每个插槽的内核数。
- 每个内核的线程数 - 向虚拟机公开的每个内核的线程数。
  请注意，插槽、每个插槽的内核数和每个内核的线程数选项调整了虚拟机的 CPU 拓扑。这可能对 vCPU 性能有好处，但可能会影响客户机操作系统中某些软件的功能。如果您的部署不需要不同的设置，请保留默认值。
点应用。
配置了虚拟机的虚拟 CPU。
注意
对虚拟 CPU 设置的更改仅在重启虚拟机后生效。

其他资源

使用命令行界面添加和删除虚拟 CPU

14.5.3. 在虚拟机中配置 NUMA

以下方法可用于配置 RHEL 8 主机上虚拟机(VM)的非统一内存访问(NUMA)设置。

先决条件

主机是一个与 NUMA 兼容的机器。要检测是否是这种情况，请使用 virsh nodeinfo 命令，并查看 NUMA cell (s) 行：

# 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

如果行的值为 2 或更高，则主机与 NUMA 兼容。

流程

为便于使用，您可以使用自动化工具和服务设置虚拟机的 NUMA 配置。但是，手动 NUMA 设置可能会显著提高性能。

自动方法

将虚拟机的 NUMA 策略设为 Preferred。例如，对于 testguest5 虚拟机要这样做：

# virt-xml testguest5 --edit --vcpus placement=auto
# virt-xml testguest5 --edit --numatune mode=preferred

在主机上启用自动 NUMA 均衡：

# echo 1 > /proc/sys/kernel/numa_balancing

启动 numad 服务，来自动将 VM CPU 与内存资源对齐。
```
# systemctl start numad
```

手动方法

将特定 vCPU 线程固定到特定主机 CPU 或者 CPU 范围。在非 NUMA 主机和虚拟机上也可以这样做，我们推荐您使用一种安全的方法来提高 vCPU 性能。
例如，以下命令将 testguest6 虚拟机的 vCPU 线程 0 到 5 分别固定到主机 CPU 1、3、5、7、9 和 11：
```
# 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
```
之后，您可以验证操作是否成功：
```
# virsh vcpupin testguest6
VCPU   CPU Affinity
----------------------
0      1
1      3
2      5
3      7
4      9
5      11
```
固定 vCPU 线程后，您还可以将与指定虚拟机关联的 QEMU 进程线程固定到特定的主机 CPU 或 CPU 范围。例如：以下命令将 testguest6 的 QEMU 进程线程固定到 CPU 13 和 15，确认成功：
```
# virsh emulatorpin testguest6 13,15
# virsh emulatorpin testguest6
emulator: CPU Affinity
----------------------------------
       *: 13,15
```
最后，您也可以指定将哪些主机 NUMA 节点专门分配给某个虚拟机。这可提高虚拟机 vCPU 的主机内存用量。例如，以下命令将 testguest6 设置为使用主机 NUMA 节点 3 到 5，确认成功：
```
# virsh numatune testguest6 --nodeset 3-5
# virsh numatune testguest6
```

注意

为了获得最佳性能，建议使用以上列出的所有手动调优方法

已知问题

目前无法在 IBM Z 主机上执行 NUMA 调整

其他资源

vCPU 性能调整场景示例
使用 numastat 程序查看系统的当前 NUMA 配置

14.5.4. vCPU 性能调整场景示例

要获得最佳 vCPU 性能，红帽建议同时使用手动 vcpupin、emulatorpin 和 numatune 设置，例如在以下场景中。

起始场景

您的主机有以下与硬件相关的信息：

2 个 NUMA 节点
每个节点上的 3 个 CPU 内核
每个内核有 2 个线程

此类机器的 virsh nodeinfo 输出类似于：

# 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

您打算将现有的虚拟机修改为有 8 个 vCPU，这意味着单个 NUMA 节点无法容纳它。
因此，您应该在每个 NUMA 节点上分发 4 个 vCPU，并使 vCPU 拓扑尽可能接近主机拓扑。这意味着，作为给定物理 CPU 的同级线程运行的 vCPU 应该固定到同一核上的主机线程。详情请查看以下解决方案:

解决方案

获取有关主机拓扑的信息：

# virsh capabilities

输出应包含类似如下的部分：

<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>

可选： 使用适用的工具和实用程序测试虚拟机的性能。

在主机上设置并挂载 1 GiB 巨页：

在主机的内核命令行中添加以下行：
```
default_hugepagesz=1G hugepagesz=1G
```

使用以下内容创建 /etc/systemd/system/hugetlb-gigantic-pages.service 文件：

[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

使用以下内容创建 /etc/systemd/hugetlb-reserve-pages.sh 文件：

#!/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

这会从 node1 保留 4 个 1GiB 巨页，并在 node2 中保留 4 个 1GiB 巨页。

使在上一步中创建的脚本可执行：

# chmod +x /etc/systemd/hugetlb-reserve-pages.sh

在引导时启用巨页保留：

# systemctl enable hugetlb-gigantic-pages

使用 virsh edit 命令编辑您要优化的虚拟机的 XML 配置，在本例中为 super-VM ：
```
# virsh edit super-vm
```
用以下方法调整虚拟机的 XML 配置：
1. 将虚拟机设置为使用 8 个静态 vCPU。使用 <vcpu/> 元素来执行此操作。
2. 将每个 vCPU 线程固定到拓扑中镜像的对应主机 CPU 线程。为此，请在 <cputune> 部分中使用 <vcpupin/> 元素。
  请注意，如上面 virsh capabilities 工具所示，主机 CPU 线程在各自的内核中不是按顺序排序的。此外，vCPU 线程应固定到同一 NUMA 节点上最多可用的主机核集合。有关表图，请查看以下 示例拓扑 部分。
  步骤 a. 和 b. 的 XML 配置类似：
```
<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. 将虚拟机设置为使用 1 GiB 巨页：
```
<memoryBacking>
  <hugepages>
    <page size='1' unit='GiB'/>
  </hugepages>
</memoryBacking>
```
4. 配置虚拟机的 NUMA 节点，使其使用主机上对应的 NUMA 节点的内存。要做到这一点，请在 <numatune/> 部分中使用 <memnode/> 元素：
```
<numatune>
  <memory mode="preferred" nodeset="1"/>
  <memnode cellid="0" mode="strict" nodeset="0"/>
  <memnode cellid="1" mode="strict" nodeset="1"/>
</numatune>
```
5. 确保 CPU 模式设为 host-passthrough，且 CPU 在 passthrough 模式下使用缓存：
```
<cpu mode="host-passthrough">
  <topology sockets="2" cores="2" threads="2"/>
  <cache mode="passthrough"/>
```

验证

确认生成的虚拟机 XML 配置包含类似如下内容：

[...]
  <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>

可选： 使用适用的工具和实用程序测试虚拟机的性能，以评估虚拟机优化的影响。

拓扑示例

下表演示了 vCPU 和主机 CPU 之间的连接：

表 14.1. 主机拓扑

CPU 线程	3	1	4	2	5	6	9	7	10	8	11
内核		1		2		3		4		5
插槽						1
NUMA 节点						1

表 14.2. VM 拓扑

vCPU 线程	1	2	3	4	5	6	7
内核		1		2		3
插槽				1
NUMA 节点				1

表 14.3. 合并主机和虚拟机拓扑

vCPU 线程			0	1	2	3			4	5	6	7
主机 CPU 线程	0	3	1	4	2	5	6	9	7	10	8	11
内核	0		1		2		3		4		5
插槽	0						1
NUMA 节点	0						1

在这种情况下，有 2 个 NUMA 节点和 8 个 vCPU。因此，应该为每个节点固定 4 个 vCPU 线程。

另外，红帽建议在每个节点上至少保留一个 CPU 线程用于主机系统操作。

因为在这个示例中，每个 NUMA 节点都有 3 个核，每个核都有 2 个主机 CPU 线程，节点 0 的设置转换如下：

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

14.5.5. 停止内核相同页面合并

虽然内核相同页面合并(KSM)提高了内存密度，但它会增加 CPU 的使用率，并且可能会对总体性能产生不利影响，具体取决于工作负载。在这种情况下，您可以通过停用 KSM 来提高虚拟机(VM)的性能。

根据您的要求，您可以对单个会话停用 KSM，或永久停用。

步骤

要对单个会话停用 KSM，请使用 systemctl 工具停止 ksm 和 ksmtuned 服务。
```
# systemctl stop ksm

# systemctl stop ksmtuned
```

要永久停用 KSM，请使用 systemctl 工具来禁用 ksm 和 ksmtuned 服务。

# 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.

注意

取消激活 KSM 前在虚拟机间共享的内存页将保持共享。要停止共享，请使用以下命令删除系统中的所有 PageKSM 页：

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

匿名页面替换了 KSM 页面后，khugepaged 内核服务将在虚拟机物理内存中重建透明的大页面。

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14.5. 优化虚拟机 CPU 性能

14.5.1. 使用命令行界面添加和删除虚拟 CPU

14.5.2. 使用 Web 控制台管理虚拟 CPU

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14.5.4. vCPU 性能调整场景示例

14.5.5. 停止内核相同页面合并

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