Kubernetes OOM 和 CPU Throttling 问题

JAVIER MARTÍNEZ 2023-07-19 08:06:10

介绍

使用 Kubernetes 时,内存不足(OOM)错误和 CPU 限制(Throttling)是云应用程序中资源处理的主要难题。为什么呢?

云应用程序中的 CPU 和内存要求变得越来越重要,因为它们与您的云成本直接相关。

通过 limitsrequests,您可以配置 pod 应如何分配内存和 CPU 资源,以防止资源匮乏并调整云成本。

  • 如果节点没有足够的资源,Pod 可能会因抢占或节点压力而被驱逐。
  • 当进程运行内存不足 (OOM) 时,它会因为没有所需的资源而被 Kill。
  • 如果 CPU 消耗高于实际 limits,进程将开始受到限制。

OK,如何监控 Pod 快要 OOM 了,或者 CPU 快要被限制了呢?

Kubernetes OOM

Pod 中的每个容器都需要内存才能运行。

Kubernetes limits 是在 Pod 定义或 Deployment 定义中为每个容器设置的。

所有现代 Unix 系统都有一种方法可以杀死进程,以此回收内存(没用空闲内存的时候,只能杀进程了)。这个错误将被标记为 137 错误码或 OOMKilled。

State:          Running
    Started:      Thu, 10 Oct 2019 11:14:13 +0200
Last State:     Terminated
    Reason:       OOMKilled
    Exit Code:    137
    Started:      Thu, 10 Oct 2019 11:04:03 +0200
    Finished:     Thu, 10 Oct 2019 11:14:11 +0200

退出代码 137 意味着该进程使用的内存超过允许的数量,必须被 OS 终止。

这是 Linux 中的一项功能,内核为系统中运行的进程设置 oom_score 值。此外,它还允许设置一个名为 oom_score_adj 的值,Kubernetes 使用该值来实现服务质量。它还具有 OOM Killer,它将检查进程并终止那些使用超过过多内存(比如申请了超过 limits 限制的数量的内存)的进程。

请注意,在 Kubernetes 中,进程可能会达到以下任何限制:

  • 在容器上设置的 Kubernetes 限制。
  • 在 namespace 上设置的 Kubernetes ResourceQuota。
  • 节点的实际内存大小。

Kubernetes OOM 和 CPU Throttling 问题 - 图1

内存过量分配(overcommitment)

限制(limits)可以高于请求(requests),因此所有限制的总和可以高于节点容量。这称为过量分配,而且很常见。实际上,如果所有容器使用的内存多于 request 的内存,则可能会耗尽节点中的内存。这通常会导致一些 pod 死亡,以释放一些内存。

监控 Kubernetes OOM

在 Prometheus 生态中,使用 node-exporter 时,有一个名为 node_vmstat_oom_kill 的指标。跟踪 OOM 终止何时发生非常重要,但您可能希望在此类事件发生之前抢占先机并了解其情况。

我们更希望的是,检查进程与 Kubernetes limits 的接近程度:

(sum by (namespace,pod,container)
(rate(container_cpu_usage_seconds_total{container!=""}[5m])) / sum by 
(namespace,pod,container)
(kube_pod_container_resource_limits{resource="cpu"})) > 0.8

Kubernetes CPU throttling

CPU 限制(throttling)是一种当进程即将达到某些资源限制时减慢速度的行为。与内存情况类似,这些限制可能是:

  • 在容器上设置的 Kubernetes limits。
  • 在命名空间上设置的 Kubernetes ResourceQuota。
  • 节点的实际算力大小。

想想下面的类比。我们有一条高速公路,交通流量如下:

  • CPU 就好比一条路
  • 车辆代表 Process,每辆车都有不同的尺寸
  • 多个通道代表有多个 CPU 核心
  • request 将是一条专用道路,例如自行车道

这里的 throttling 被表示为交通拥堵:最终,所有进程都会运行,但一切都会变慢。

Kubernetes 中的 CPU 处理逻辑

CPU 在 Kubernetes 中通过 shares 进行处理。每个 CPU 核心被分为 1024 个 shares,然后使用 Linux 内核的 cgroups(control groups)功能在运行的所有进程之间进行划分。

Kubernetes OOM 和 CPU Throttling 问题 - 图2

如果 CPU 可以处理当前所有进程,则无需执行任何操作。如果进程使用超过 100% 的 CPU,shares 机制就要起作用了。与任何 Linux 内核一样,Kubernetes 使用 CFS(Completely Fair Scheduler)机制,因此拥有更多份额的进程将获得更多的 CPU 时间。

与内存不同,Kubernetes 不会因为限流而杀死 Pod。

Kubernetes OOM 和 CPU Throttling 问题 - 图3

You can check CPU stats in /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.stat

CPU 过渡分配

正如我们在limits 和 requests 文章中看到的,当我们想要限制进程的资源消耗时,设置 limits 或 requests 非常重要。尽管如此,请注意不要将总 requests 设置为大于实际 CPU 大小,每个容器都应该有保证的 CPU。

监控 Kubernetes CPU throttling

您可以检查进程与 Kubernetes limits 的接近程度:

(sum by (namespace,pod,container)(rate(container_cpu_usage_seconds_total
{container!=""}[5m])) / sum by (namespace,pod,container)
(kube_pod_container_resource_limits{resource="cpu"}))

如果我们想要跟踪集群中发生的限制量,cadvisor 提供了 container_cpu_cfs_throttled_periods_total 和 container_cpu_cfs_periods_total 两个指标。通过这两个指标,您可以轻松计算所有 CPU 周期内的限制百分比。

最佳实践

注意 limits 和 requests

Limits 是在节点中设置资源最大上限的一种方法,但需要谨慎对待,因为您可能最终会受到限制或终止进程。

准备好应对驱逐

通过设置非常低的请求,您可能认为这将为您的进程授予最少的 CPU 或内存。但 kubelet 会首先驱逐那些使用率高于请求的 Pod,因此就相当于您将这些进程标记为最先被杀死的!

如果您需要保护特定 Pod 免遭抢占(当 kube-scheduler 需要分配新 Pod 时),请为最重要的进程分配 Priority Classes。

Throttling 是一个无声的敌人

设置不切实际的 limits 或过度使用,您可能没有意识到您的进程正在受到限制并且性能受到影响。主动监控 CPU 用量,了解确切的容器和命名空间层面的限制,及时发现问题非常重要。

下面这张图,比较好的解释了 Kubernetes 中 CPU 和内存的限制问题。供参考:

Kubernetes OOM 和 CPU Throttling 问题 - 图4

本文翻译自:https://sysdig.com/blog/troubleshoot-kubernetes-oom/

标签: Kubernetes
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