作者：牧原
什麼是中斷？
當一個硬件(如磁盤控制器或者以太網卡), 需要打斷CPU的工作時, 它就觸發一箇中斷. 該中斷通知CPU發生了某些事情並且CPU應該放下當前的工作去處理這個事情. 為了防止多個設置發送相同的中斷, Linux設計了一套中斷請求系統, 使得計算機系統中的每個設備被分配了各自的中斷號, 以確保它的中斷請求的唯一性.
從2.4 內核開始, Linux改進了分配特定中斷到指定的處理器(或處理器組)的功能. 這被稱為SMP IRQ affinity, 它可以控制系統如何響應各種硬件事件. 允許你限制或者重新分配服務器的工作負載, 從而讓服務器更有效的工作.
以網卡中斷為例，在沒有設置SMP IRQ affinity時， 所有網卡中斷都關聯到CPU0, 這導致了CPU0負載過高，而無法有效快速的處理網絡數據包，導致了瓶頸。
通過SMP IRQ affinity， 把網卡多箇中斷分配到多個CPU上，可以分散CPU壓力，提高數據處理速度。但是smp_affinity要求網卡支持多隊列，如果網卡支持多隊列則設置才有作用，網卡有多隊列，才會有多箇中斷號，這樣就可以把不同的中斷號分配到不同CPU上，這樣中斷號就能相對均勻的分配到不同的CPU上。
而單隊列的網卡可以通過RPS/RFS來模擬多隊列的情況，但是該效果並不如網卡本身多隊列+開啟RPSRFS 來的有效
什麼是RPS/RFS
RPS（Receive Packet Steering）主要是把軟中斷的負載均衡到各個cpu，簡單來說，是網卡驅動對每個流生成一個hash標識，這個HASH值得計算可以通過四元組來計算（SIP，SPORT，DIP，DPORT），然後由中斷處理的地方根據這個hash標識分配到相應的CPU上去，這樣就可以比較充分的發揮多核的能力了。通俗點來說就是在軟件層面模擬實現硬件的多隊列網卡功能，如果網卡本身支持多隊列功能的話RPS就不會有任何的作用。該功能主要針對單隊列網卡多CPU環境，如網卡支持多隊列則可使用SMP irq affinity直接綁定硬中斷。
圖1 只有RPS的情況下（來源網絡）
由於RPS只是單純把數據包均衡到不同的cpu，這個時候如果應用程序所在的cpu和軟中斷處理的cpu不是同一個，此時對於cpu cache的影響會很大，那麼RFS（Receive flow steering）確保應用程序處理的cpu跟軟中斷處理的cpu是同一個，這樣就充分利用cpu的cache，這兩個補丁往往都是一起設置，來達到最好的優化效果, 主要是針對單隊列網卡多CPU環境。
圖2：同時開啟RPS/RFS後（來源網絡）
rps_flow_cnt，rps_sock_flow_entries，參數的值會被進位到最近的2的冪次方值，對於單隊列設備，單隊列的rps_flow_cnt值被配置成與 rps_sock_flow_entries相同。
RFS依靠RPS的機制插入數據包到指定CPU的backlog隊列，並喚醒那個CPU來執行
默認情況下，開啟irqbalance是足夠用的，但是對於一些對網絡性能要求比較高的場景，手動綁定中斷磨合是比較好的選擇
開啟irqbalance，會存在一些問題，比如：
a) 有時候計算出來的值不合理，導致CPU使用還是不均衡。
b) 在系統比較空閒IRQ處於 Power-save mode 時，irqbalance 會將中斷集中分配給第一個 CPU，
以保證其它空閒 CPU 的睡眠時間，降低能耗。如果壓力突然上升，可能會由於調整的滯後性帶來性能問題。
c) 處理中斷的CPU總是會變，導致了更多的context switch。
d）也存在一些情況，啟動了irqbalance，但是並沒有生效，沒有真正去設置處理中斷的cpu。如何查看網卡的隊列數
1，Combined代表隊列個數，說明我的測試機有4個隊列
# ethtool -l eth0
Channel parameters for eth0:
Pre-set maximums:
RX: 0
TX: 0
Other: 0
Combined: 4
Current hardware settings:
RX: 0
TX: 0
Other: 0
Combined: 42，以ecs centos7.6為例，系統處理中斷的記錄在/proc/interrupts文件裡面，默認這個文件記錄比較多，影響查看，同時如果cpu核心也非常多的話，對於閱讀的影響非常大
# cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1 CPU2 CPU3
0: 141 0 0 0 IO-APIC-edge timer
1: 10 0 0 0 IO-APIC-edge i8042
4: 807 0 0 0 IO-APIC-edge serial
6: 3 0 0 0 IO-APIC-edge floppy
8: 0 0 0 0 IO-APIC-edge rtc0
9: 0 0 0 0 IO-APIC-fasteoi acpi
10: 0 0 0 0 IO-APIC-fasteoi virtio3
11: 22 0 0 0 IO-APIC-fasteoi uhci_hcd:usb1
12: 15 0 0 0 IO-APIC-edge i8042
14: 0 0 0 0 IO-APIC-edge ata_piix
15: 0 0 0 0 IO-APIC-edge ata_piix
24: 0 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio1-config
25: 4522 0 0 4911 PCI-MSI-edge virtio1-req.0
26: 0 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio2-config
27: 1913 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.0
28: 3 834 0 0 PCI-MSI-edge virtio2-output.0
29: 2 0 1557 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.1
30: 2 0 0 187 PCI-MSI-edge virtio2-output.1
31: 0 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio0-config
32: 1960 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.2
33: 2 798 0 0 PCI-MSI-edge virtio2-output.2
34: 30 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio0-virtqueues
35: 3 0 272 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.3
36: 2 0 0 106 PCI-MSI-edge virtio2-output.3
input0說明是cpu1(0號CPU)處理的網絡中斷
阿里雲ecs網絡中斷，如果是多箇中斷的話，還有input.1 input.2 input.3這種形式
......
PIW: 0 0 0 0 Posted-interrupt wakeup event3，如果ecs的cpu核心非常多，那這個文件看起來就會比較費勁了，可使用下面的命令查看處理中斷的核心
使用下面這個命令，即可將阿里雲ecs處理中斷的cpu找出來了（下面這個演示是8c 4個隊列）
# for i in $(egrep "\-input." /proc/interrupts |awk -F ":" '{print $1}');do cat /proc/irq/$i/smp_affinity_list;done
5
7
1
3
處理一下sar拷貝用
# for i in $(egrep "\-input." /proc/interrupts |awk -F ":" '{print $1}');do cat /proc/irq/$i/smp_affinity_list;done |tr -s '\n' ','
5,7,1,3,
#sar -P 5,7,1,3 1 每秒刷新一次cpu 序號為5,7,1,3核心的cpu使用率
# sar -P ALL 1 每秒刷新所有核心，用於少量CPU核心的監控，這樣我們就可以知道處理慢的原因是不是因為隊列不夠導致的了
Linux 3.10.0-957.5.1.el7.x86_64 (iZwz98aynkjcxvtra0f375Z) 05/26/2020 _x86_64_ (4 CPU)
05:10:06 PM CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle
05:10:07 PM all 5.63 0.00 3.58 1.02 0.00 89.77
05:10:07 PM 0 6.12 0.00 3.06 1.02 0.00 89.80
05:10:07 PM 1 5.10 0.00 5.10 0.00 0.00 89.80
05:10:07 PM 2 5.10 0.00 3.06 2.04 0.00 89.80
05:10:07 PM 3 5.10 0.00 4.08 1.02 0.00 89.80
05:10:07 PM CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle
05:10:08 PM all 8.78 0.00 15.01 0.69 0.00 75.52
05:10:08 PM 0 10.00 0.00 16.36 0.91 0.00 72.73
05:10:08 PM 1 4.81 0.00 13.46 1.92 0.00 79.81
05:10:08 PM 2 10.91 0.00 15.45 0.91 0.00 72.73
05:10:08 PM 3 9.09 0.00 14.55 0.00 0.00 76.36
sar 小技巧
打印idle小於10的核心
sar -P 1,3,5,7 1 |tail -n+3|awk '$NF<10 {print $0}'
看所有核心是否有單核打滿的把1357換成ALL即可
sar -P ALL 1 |tail -n+3|awk '$NF<10 {print $0}'
再貼一個4c8g規格的配置（ecs.c6.xlarge ），
可以看到4c也給了四個隊列，但是默認設置的是在cpu0 和 2上處理中斷
# grep -i "input" /proc/interrupts
27: 1932 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.0
29: 2 0 1627 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.1
32: 1974 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.2
35: 3 0 284 0 PCI-MSI-edge virtio2-input.3
# for i in $(egrep "\-input." /proc/interrupts |awk -F ":" '{print $1}');do cat /proc/irq/$i/smp_affinity_list;done
1
3
1
3
原因是cpu是超線程的，“每個vCPU綁定到一個物理CPU超線程”,所以即使是4個隊列默認也在2個cpu核心上
# lscpu
Architecture: x86_64
CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit
Byte Order: Little Endian
CPU(s): 4
On-line CPU(s) list: 0-3
Thread(s) per core: 2
Core(s) per socket: 2
Socket(s): 1
NUMA node(s): 14，關閉IRQbalance
# service irqbalance status
Redirecting to /bin/systemctl status irqbalance.service
● irqbalance.service - irqbalance daemon
Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/irqbalance.service; enabled; vendor preset: enabled)
Active: inactive (dead) since Wed 2020-05-27 14:39:28 CST; 2s ago
Process: 1832 ExecStart=/usr/sbin/irqbalance --foreground $IRQBALANCE_ARGS (code=exited, status=0/SUCCESS)
Main PID: 1832 (code=exited, status=0/SUCCESS)
May 27 14:11:40 iZbp1ee4vpiy3w4b8y2m8qZ systemd[1]: Started irqbalance daemon.
May 27 14:39:28 iZbp1ee4vpiy3w4b8y2m8qZ systemd[1]: Stopping irqbalance daemon...
May 27 14:39:28 iZbp1ee4vpiy3w4b8y2m8qZ systemd[1]: Stopped irqbalance daemon.5，手動設置RPS
5.1 手動設置之前我們需要先了解下面的文件（IRQ_number就是前面grep input拿到的序號）
進入/proc/irq/${IRQ_number}/，關注兩個文件：smp_affinity和smp_affinity_list
smp_affinity是bitmask+16進制，
smp_affinity_list：這個文件更好理解，採用的是10進制，可讀性高
改這兩個任意一個文件，另一個文件會同步更改。
為了方便理解，咱們直接看十進制的文件smp_affinity_list即可
如果這一步沒看明白，注意前面的 /proc/interrupts的輸出
# for i in $(egrep "\-input." /proc/interrupts |awk -F ":" '{print $1}');do cat /proc/irq/$i/smp_affinity_list;done
1
3
1
3
手動設置處理中斷的CPU號碼可以直接echo修改，下面就是將序號27的中斷放到cpu0上處理，一般建議可以把cpu0空出來
# echo 0 >> /proc/irq/27/smp_affinity_list
# cat /proc/irq/27/smp_affinity_list
0
關於bitmask
“f” 是十六進制的值對應的 二進制是”1111”（可以理解為4c的配置設置為f的話，所有的cpu參與處理中斷）
二進制中的每個位代表了服務器上的每個CPU. 一個簡單的demo
CPU序號 二進制 十六進制
CPU 0 0001 1
CPU 1 0010 2
CPU 2 0100 4
CPU 3 1000 85.2 需要對每塊網卡每個隊列分別進行設置。如對eth0的0號隊列設置：
echo ff > /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus
這裡的設置方式和中斷親和力設置的方法是類似的。採用的是掩碼的方式，但是這裡通常要將所有的CPU設置進入，如：
4core，f
8core，ff
16core，ffff
32core，ffffffff
默認在0號cpu上
# cat /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus
0
# echo f >>/sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus
# cat /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus
f6，設置RFS的方式
需要設置兩個地方：
6.1， 全局表：rps_sock_flow_table的條目數量。通過一個內核參數控制：
# sysctl -a |grep net.core.rps_sock_flow_entries
net.core.rps_sock_flow_entries = 0
# sysctl -w net.core.rps_sock_flow_entries=1024
net.core.rps_sock_flow_entries = 10246.2，每個網卡隊列hash表的條目數：
# cat /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_flow_cnt
0
# echo 256 >> /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_flow_cnt
# cat /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_flow_cnt
256需要啟動RFS，兩者都需要設置。
建議機器上所有的網卡隊列設置的rps_flow_cnt相加應該小於或者等於rps_sock_flow_entries。因為是4個隊列，因此每個隊列設置256，可以根據實際情況增大
某壓測調整案例：
背景：iperf3 5個線程 1個1g打流量，抖動，如 4.6--5.2 波動較大，查看中斷不均衡，做如下設置
1，設置RPS ,32c 16隊列 設置ffffffff
2, RFS 65536 /16 = 4096
3, smp_affinity_list 1,3,5,7,9....31
依然不均衡，考慮到RFS 命中cache的問題，客戶端增加到16線程，中斷處理趨於穩定，但是流量依然有波動
4，關閉TSO後流量在7.9x--8.0x之間波動，趨於穩定
