ack-slo-manager为容器提供内存服务质量QoS(Quality of Service)保障能力,在确保内存资源公平性的前提下,改善应用在运行时的内存性能。本文介绍如何使用容器内存QoS功能。

前提条件

背景信息

容器在使用内存时主要有以下两个方面的约束:
  • 自身内存限制:当容器自身的内存(含Page Cache)接近容器上限时,会触发内核的内存回收子系统,这个过程会影响容器内应用的内存申请和释放的性能。
  • 节点内存限制:当容器内存超卖(Memory Limit>Request)导致整机内存不足,会触发内核的全局内存回收,这个过程对性能影响较大,极端情况甚至导致整机异常。

为了提高应用运行时性能和节点的稳定性,ACK引入容器内存QoS能力,通过ack-slo-manager配合Alibaba Cloud Linux 2为应用提升内存性能。当功能开启时,ack-slo-manager依据容器参数自适应配置内存子系统(Memcg),在保障节点内存资源公平的基础上,优化内存敏感型应用的性能。

使用限制

系统组件版本要求如下表所示。

组件 版本要求
Kubernetes ≥1.18
ack-slo-manager ≥0.3.0
Helm版本 ≥v3.0
操作系统 Alibaba Cloud Linux 2

功能介绍

部署在Kubernetes集群中的应用,在资源使用层面遵循标准的K8s Request/Limit模型。如下图所示,Pod的内存Request仅用于调度时的容量参考,在单机层面使用Limit进行约束。下图中memory.limit_in_bytes表示内存使用上限。

Request-Limit模型

当Pod自身的内存使用(含Page Cache)接近声明的Limit值时,会触发内存子系统(Memcg)级别的直接内存回收,阻塞进程执行。如果此时的内存申请速度超过回收速度,容器会触发OOMKilled并释放内存。应用管理员可能会调高应用的内存Limit,以降低Pod OOM等风险,但这也导致整机内存的Limit之和可能超出物理容量,即处于内存超卖状态。超卖状态下,某个Pod大量申请内存,可能造成整机内存不足,导致其他Pod申请内存时触发整机内存回收或OOM(Kubernetes默认不启用Swap),进而影响应用表现。在上述两种情形中,个别Pod可能影响其他Pod的内存访问性能,即使这些Pod的内存使用未超过Request声明,应用性能仍会受到较大影响。

ack-slo-manager结合Alibaba Cloud Linux 2提供了容器内存QoS保障的能力,依据Pod参数自动配置内存子系统(Memcg),为容器开启Memcg QoS、内存后台回收和全局最低水位线分级特性,以保障容器的内存资源QoS和公平性。更多信息,请参见cgroup v1接口支持memcg QoS功能Memcg后台异步回收Memcg全局最低水位线分级

通过启用容器内存QoS,您可以获得以下功能特性:

  • Pod内存使用接近Limit限制时,优先在后台异步回收一部分内存,缓解直接内存回收带来的性能影响。
  • Pod之间实施更公平的内存回收,整机内存资源不足时,优先从内存超用(Memory Usage>Request)的Pod中回收内存,避免个别Pod造成整机内存资源质量下降。
  • BestEffort内存超卖场景下,优先保障Guaranteed/Burstable Pod的内存运行质量。
当集群开启了差异化SLO混部时,系统将优先保障延时敏感型LS(Latency-Sensitive)Pod的内存QoS,延缓LS Pod触发整机内存回收的时机。下图中,memory.limit_in_bytes表示内存使用上限,memory.high表示内存限流阈值,memory.wmark_high表示内存后台回收阈值,memory.min表示内存使用锁定阈值。启用内存服务质量

关于ACK容器内存QoS启用的内核能力,详见Alibaba Cloud Linux 2的内核功能与接口概述

说明 Kubernetes在社区1.22版本中提供了MemoryQoS特性,可在Kubelet上配置开启,支持容器的内存锁定和主动限流,能够提高内存资源的公平性。该特性目前处于Alpha状态,仅支持Linux cgroups v2(要求内核版本不低于4.15,且和cgroups v1不兼容,启用会影响节点上所有容器)。ACK容器内存QoS在cgroups v1上支持了该特性,并额外提供内存后台回收和最低水位线分级等性能优化和差异化SLO能力。

操作步骤

当您为Pod开启容器内存QoS时,内存子系统(Memcg)将基于系数配置和Pod参数自适应调整。开启容器内存QoS的具体操作步骤如下。

  1. 在Pod YAML中添加以下Annotation,为Pod单独开启容器内存QoS功能。
    annotations:
      #设置auto,表示开启该Pod的容器内存QoS功能。
      alibabacloud.com/memoryQOS: '{"policy": "auto"}'
      #设置none,表示关闭该Pod的容器内存QoS功能。
      #alibabacloud.com/memoryQOS: '{"policy": "none"}'
  2. 通过ConfigMap全局开启容器内存QoS。
    1. 使用以下ConfigMap示例,开启全集群的容器内存QoS功能。
      apiVersion: v1
      data:
        resource-qos-config: |-
          {
            "clusterStrategy": {
              "lsClass": {
                 "memoryQOS": {
                   "enable": true
                 }
               },
              "beClass": {
                 "memoryQOS": {
                   "enable": true
                 }
               }
            }
          }
      kind: ConfigMap
      metadata:
        name: ack-slo-config
        namespace: kube-system
    2. 在Pod YAML中指定QoS等级,使用集群配置。
      apiVersion: v1
      kind: Pod
      metadata:
        name: pod-demo
        labels:
          name: pod-demo
        annotations:
          alibabacloud.com/qosClass: 'LS' #指定Pod的QoS级别为LS。

      LSBE表示两种典型的应用类型,可配合上述ConfigMap中的集群开关使用。当集群开关开启后,Pod只需指定alibabacloud.com/qosClass即可生效参数,不必在Pod Annotations中重复配置;对于未指定alibabacloud.com/qosClass的Pod,ack-slo-manager将参考Pod原生的QoSClass来设置参数,其中Guaranteed为系统内部默认值,Burstable和Besteffort分别使用ConfigMap中LSBE的默认配置。关于默认配置的更多信息,请参见参数说明

      推荐您使用alibabacloud.com/qosClass来管理内存QoS参数,以便于统一管理。

    3. 查看命名空间kube-system下是否存在ConfigMap ack-slo-config
      • 若存在ConfigMap ack-slo-config,请使用PATCH方式进行更新,避免干扰ConfigMap中其他配置项。
        kubectl patch cm -n kube-system ack-slo-config --patch "$(cat configmap.yaml)"
      • 若不存在ConfigMap ack-slo-config,请执行以下命令进行创建Configmap。
        kubectl apply -f configmap.yaml
  3. 通过ConfigMap指定Namespace开启部分Pod的容器内存QoS。

    若您需要开启或关闭部分命名空间下LSBE Pod的参数设置,可以使用以下ConfigMap示例,为指定Namespace内的Pod开启或禁用容器内存QoS功能。

    1. 使用以下ConfigMap内容,创建ack-slo-pod-config.yaml文件。
      为命名空间为kube-system内的Pod开启或禁用容器内存QoS功能。
      apiVersion: v1
      kind: ConfigMap
      metadata:
        name: ack-slo-pod-config
        namespace: kube-system
      data:
        #单独开启或关闭部分Namespace的Pod。
        memory-qos: |
          {
            "enabledNamespaces": ["allow-ns"],
            "disabledNamespaces": ["block-ns"]
          }
    2. 执行以下命令,更新ConfigMap。
      kubectl patch cm -n kube-system ack-slo-pod-config --patch "$(cat ack-slo-pod-config.yaml)"
  4. (可选)配置高级参数。
    容器内存QoS支持Pod级别和集群级别的精细化配置,相关参数说明如下。若您有其他需求,请提交工单
    参数 类型 取值范围 说明
    enable Boolean
    • true
    • false
    • true:集群全局开启容器内存QoS功能,相应QoS等级的容器启用内存子系统的推荐配置。
    • false:集群全局关闭容器内存QoS功能,相应QoS等级的容器的内存子系统配置会重置为创建初始值。
    policy String
    • auto
    • default
    • none
    • auto:Pod开启容器内存QoS功能并启用推荐参数,生效优先级高于集群ConfigMap配置。
    • default:Pod继承集群ConfigMap配置。
    • none:Pod关闭容器内存QoS功能,相关内存子系统配置会重置为容器创建的初始值,生效优先级高于集群ConfigMap配置。
    minLimitPercent Int 0~100 单位为百分比,默认值为0,表示关闭。

    表示相较于内存Request,容器内存绝对锁定、不被全局回收的比例。计算方式为memory.min=request*minLimitPercent/100。适合对Page Cache敏感的场景开启,保留一部分文件缓存不被回收以改善读写性能。例如容器Memory Request=100MiB,当minLimitPercent=100时,memory.min=104857600。更多信息,请参见Alibaba Cloud Linux 2 cgroup v1接口支持memcg QoS功能

    lowLimitPercent Int 0~100 单位为百分比,默认值为0,表示关闭。

    表示相较于内存Request,容器内存相对锁定、优先不被回收的比例。计算方式为memory.low=request*lowLimitPercent/100。例如容器Memory Request=100MiB,当lowLimitPercent=100时,memory.low=104857600。更多信息,请参见Alibaba Cloud Linux 2 cgroup v1接口支持memcg QoS功能

    throttlingPercent Int 0~100 单位为百分比,默认值为0,表示关闭。

    表示相较于内存Limit,容器内存使用触发限流的比例。计算方式为memory.high=limit*throttlingPercent/100。超出限流阈值时,容器将进入较大压力的主动内存回收状态下。适合应用内存超卖的场景(Request<Limit)开启,规避cgroup级别的OOM。例如容器Memory Limit=100MiB,当throttlingPercent=80时,memory.high=83886080(80 MiB)。更多信息,请参见Alibaba Cloud Linux 2 cgroup v1接口支持memcg QoS功能

    wmarkRatio Int 0~100 单位为百分比,默认值为950表示关闭。

    表示相较于内存Limit和memory.high,容器触发异步内存回收的比例。计算方式为memory.wmark_high=limit(throttlingPercent开启时为memory.high)*wmarkRatio/100。超出异步回收阈值时,容器将启动后台内存回收。例如容器Memory Limit=100MiB,当wmarkRatio=95,throttlingPercent=80时,内存限流阈值memory.high=83886080(80 MiB),后台回收系数memory.wmark_ratio=95,后台回收触发阈值memory.wmark_high=79691776(76 MiB)。更多信息,请参见Alibaba Cloud Linux 2 Memcg后台异步回收

    wmarkMinAdj Int -25~50 单位为百分比,默认值依据QoS,LS对应-25BE对应500表示关闭。

    表示相较于(整机)全局内存最低水位线,容器所做出调整的比例。负数值让容器更晚进入全局内存回收,正数值让容器更早进入全局内存回收。例如Pod的QoS等级为LS,按默认配置,最低水位线分级系数memory.wmark_min_adj=-25,相应容器的最低水位线将下调25%。更多信息,请参见Alibaba Cloud Linux 2 Memcg全局最低水位线分级

使用示例

本示例的评测环境如下:

  • ACK Pro集群版本为1.20。
  • 集群内包含两个节点:压测节点(规格为8 Core 32 GB)、测试节点(规格为8 Core 32 GB)。
  1. 使用以下YAML内容,创建redis-demo.yaml文件。
    ---
    apiVersion: v1
    kind: ConfigMap
    metadata:
      name: redis-demo-config
    data:
      redis-config: |
        appendonly yes
        appendfsync no
    ---
    apiVersion: v1
    kind: Pod
    metadata:
      name: redis-demo
      labels:
        name: redis-demo
      annotations:
        alibabacloud.com/memoryQOS: '{"policy": "auto"}' #增加容器内存QoS的配置。
        alibabacloud.com/qosClass: 'LS' #指定Redis实例的QoS级别为LS。
    spec:
      containers:
      - name: redis
        image: redis:5.0.4
        command:
          - redis-server
          - "/redis-master/redis.conf"
        env:
        - name: MASTER
          value: "true"
        ports:
        - containerPort: 6379
        resources:
          limits:
            cpu: "2"
            memory: "6Gi"
          requests:
            cpu: "2"
            memory: "2Gi"
        volumeMounts:
        - mountPath: /redis-master-data
          name: data
        - mountPath: /redis-master
          name: config
      volumes:
        - name: data
          emptyDir: {}
        - name: config
          configMap:
            name: redis-demo-config
            items:
            - key: redis-config
              path: redis.conf
      nodeName: #nodeName注意修改为测试节点的nodeName。
    ---
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: redis-demo
    spec:
      ports:
      - name: redis-port
        port: 6379
        protocol: TCP
        targetPort: 6379
      selector:
        name: redis-demo
      type: ClusterIP
  2. 执行以下命令,部署Redis Server作为目标评测应用。
    您可通过Service redis-demo进行集群内访问。
    kubectl apply -f redis-demo.yaml
  3. 模拟内存超卖场景。
    使用Stress工具制造较大的节点内存压力,触发系统内存回收,节点上已分配Pod的内存Limit之和已超过整机大小。
    1. 使用以下Pod YAML内容,创建stress-demo.yaml文件。
      apiVersion: v1
      kind: Pod
      metadata:
        name: stress-demo
        labels:
          name: stress-demo
        annotations:
          alibabacloud.com/memoryQOS: '{"policy": "auto"}' #增加Memory QoS功能的配置。
          alibabacloud.com/qosClass: 'BE' #指定Stress实例的QoS级别为BE。
      spec:
        containers:
          - args:
              - '--vm'
              - '2'
              - '--vm-bytes'
              - 11G
              - '-c'
              - '2'
              - '--vm-hang'
              - '2'
            command:
              - stress
            image: polinux/stress
            imagePullPolicy: Always
            name: stress
        restartPolicy: Always
        nodeName: #nodeName注意修改为测试节点的nodeName,与Redis的节点相同。
    2. 使用以下命令,部署stress-demo
      kubectl apply -f stress-demo.yaml
  4. 使用以下命令,查看系统的全局最低水位线。
    说明 由于系统的全局最低水位线较低,对于内存超卖场景可能来不及回收就触发整机OOM,因此通常配合较高的全局最低水位线使用。以内存32 GiB的测试机为例,设置最低水位线为4000000 KB。
    cat /proc/sys/vm/min_free_kbytes

    预期输出:

    4000000
  5. 在Pod YAML中,使用memtier-benchmark压测工具发送请求。
    apiVersion: v1
    kind: Pod
    metadata:
      labels:
        name: memtier-demo
      name: memtier-demo
    spec:
      containers:
        - command:
            - memtier_benchmark
            - '-s'
            - 'redis-demo'
            - '--data-size'
            - '200000'
            - "--ratio"
            - "1:4"
          image: 'redislabs/memtier_benchmark:1.3.0'
          name: memtier
      restartPolicy: Never
      nodeName: #nodeName注意修改为压测节点的nodeName。
  6. 使用以下命令,收集memtier-benchmark测试结果。
    kubectl logs -f memtier-demo
  7. 在Pod YAML中,通过修改Redis实例和Stress实例的Pod Annotation,测试不同配置下的性能结果。
    apiVersion: v1
    kind: Pod
    metadata:
      name: redis-demo
      labels:
        name: redis-demo
      annotations:
        alibabacloud.com/memoryQOS: '{"policy": "none"}' #配置关闭容器内存QoS。
        alibabacloud.com/qosClass: 'LS'
    spec:
      ...
    
    ---
    apiVersion: v1
    kind: Pod
    metadata:
      name: stress-demo
      labels:
        name: stress-demo
      annotations:
        alibabacloud.com/memoryQOS: '{"policy": "none"}' #配置关闭容器内存QoS。
        alibabacloud.com/qosClass: 'BE'

结果分析

当功能全部关闭或开启ACK容器内存QoS时,指标的数据结果如下。

  • 全部关闭:不开启容器内存QoS,Pod配置为none
  • 开启容器内存QoS:Pod配置为auto,全部使用自适应配置。
指标 全部关闭 开启容器内存QoS
Latency-avg 51.32 ms 47.25 ms
Throughput-avg 149.0 MB/s 161.9 MB/s

由以上对比数据可得,内存超卖场景下,开启容器内存QoS后,Redis应用的时延(Latency)下降了7.9%,吞吐(Throughput)上涨了8.7%,时延和吞吐指标都得到一定的改善。