NUMA技術(shù)怎么用

本篇文章為大家展示了NUMA技術(shù)怎么用，內(nèi)容簡(jiǎn)明扼要并且容易理解，絕對(duì)能使你眼前一亮，通過(guò)這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

 在os層numa關(guān)閉時(shí),打開(kāi)bios層的numa會(huì)影響性能，QPS會(huì)下降15-30%;

  在bios層面numa關(guān)閉時(shí)，無(wú)論os層面的numa是否打開(kāi)，都不會(huì)影響性能。 

      安裝numactl:  
      #yum install numactl -y
      #numastat      等同于 cat /sys/devices/system/node/node0/numastat ，在/sys/devices/system/node/文件夾中記錄系統(tǒng)中的所有內(nèi)存節(jié)點(diǎn)的相關(guān)詳細(xì)信息。 　      #numactl --hardware  列舉系統(tǒng)上的NUMA節(jié)點(diǎn)

      #numactl  --show   查看綁定信息

      Redhat或者Centos系統(tǒng)中可以通過(guò)命令判斷bios層是否開(kāi)啟numa
      # grep -i numa /var/log/dmesg
      如果輸出結(jié)果為： No NUMA configuration found 
      說(shuō)明numa為disable，如果不是上面內(nèi)容說(shuō)明numa為enable,例如顯示：NUMA: Using 30 for the hash shift.
      可以通過(guò)lscpu命令查看機(jī)器的NUMA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)numa_miss數(shù)值比較高時(shí)，說(shuō)明需要對(duì)分配策略進(jìn)行調(diào)整。例如將指定進(jìn)程關(guān)聯(lián)綁定到指定的CPU上，從而提高內(nèi)存命中率。

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     現(xiàn)在的機(jī)器上都是有多個(gè)CPU和多個(gè)內(nèi)存塊的。以前我們都是將內(nèi)存塊看成是一大塊內(nèi)存，所有CPU到這個(gè)共享內(nèi)存的訪問(wèn)消息是一樣的。這就是之前普遍使用的SMP模型。但是隨著處理器的增加，共享內(nèi)存可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存訪問(wèn)沖突越來(lái)越厲害，且如果內(nèi)存訪問(wèn)達(dá)到瓶頸的時(shí)候，性能就不能隨之增加。NUMA（Non-Uniform Memory Access）就是這樣的環(huán)境下引入的一個(gè)模型。比如一臺(tái)機(jī)器是有2個(gè)處理器，有4個(gè)內(nèi)存塊。我們將1個(gè)處理器和兩個(gè)內(nèi)存塊合起來(lái)，稱(chēng)為一個(gè)NUMA node，這樣這個(gè)機(jī)器就會(huì)有兩個(gè)NUMA node。在物理分布上，NUMA node的處理器和內(nèi)存塊的物理距離更小，因此訪問(wèn)也更快。比如這臺(tái)機(jī)器會(huì)分左右兩個(gè)處理器（cpu1, cpu2），在每個(gè)處理器兩邊放兩個(gè)內(nèi)存塊(memory1.1, memory1.2, memory2.1,memory2.2)，這樣NUMA node1的cpu1訪問(wèn)memory1.1和memory1.2就比訪問(wèn)memory2.1和memory2.2更快。所以使用NUMA的模式如果能盡量保證本node內(nèi)的CPU只訪問(wèn)本node內(nèi)的內(nèi)存塊，那這樣的效率就是最高的。

在運(yùn)行程序的時(shí)候使用numactl -m和-physcpubind就能制定將這個(gè)程序運(yùn)行在哪個(gè)cpu和哪個(gè)memory中。 玩轉(zhuǎn)cpu-topology  給了一個(gè)表格，當(dāng)程序只使用一個(gè)node資源和使用多個(gè)node資源的比較表（差不多是38s與28s的差距）。所以限定程序在numa node中運(yùn)行是有實(shí)際意義的。

但是呢，話(huà)又說(shuō)回來(lái)了，制定numa就一定好嗎？--numa的陷阱。 SWAP的罪與罰 文章就說(shuō)到了一個(gè)numa的陷阱的問(wèn)題?，F(xiàn)象是當(dāng)你的服務(wù)器還有內(nèi)存的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)在開(kāi)始使用swap了，甚至已經(jīng)導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)停滯的現(xiàn)象。這個(gè)就有可能是由于numa的限制，如果一個(gè)進(jìn)程限制它只能使用自己的numa節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存，那么當(dāng)自身numa node內(nèi)存使用光之后，就不會(huì)去使用其他numa node的內(nèi)存了，會(huì)開(kāi)始使用swap，甚至更糟的情況，機(jī)器沒(méi)有設(shè)置swap的時(shí)候，可能會(huì)直接死機(jī)！所以你可以使用numactl --interleave=all來(lái)取消numa node的限制。

綜上所述得出的結(jié)論就是，根據(jù)具體業(yè)務(wù)決定NUMA的使用。

如果你的程序是會(huì)占用大規(guī)模內(nèi)存的，你大多應(yīng)該選擇關(guān)閉numa node的限制（或從硬件關(guān)閉numa）。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候你的程序很有幾率會(huì)碰到numa陷阱。

另外，如果你的程序并不占用大內(nèi)存，而是要求更快的程序運(yùn)行時(shí)間。你大多應(yīng)該選擇限制只訪問(wèn)本numa node的方法來(lái)進(jìn)行處理。

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內(nèi)核參數(shù)overcommit_memory ：

它是 內(nèi)存分配策略

可選值：0、1、2。

0:表示內(nèi)核將檢查是否有足夠的可用內(nèi)存供應(yīng)用進(jìn)程使用；如果有足夠的可用內(nèi)存，內(nèi)存申請(qǐng)?jiān)试S；否則，內(nèi)存申請(qǐng)失敗，并把錯(cuò)誤返回給應(yīng)用進(jìn)程。

1:表示內(nèi)核允許分配所有的物理內(nèi)存，而不管當(dāng)前的內(nèi)存狀態(tài)如何。

2:表示內(nèi)核允許分配超過(guò)所有物理內(nèi)存和交換空間總和的內(nèi)存

內(nèi)核參數(shù)zone_reclaim_mode：

可選值0、1

a、當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)可用內(nèi)存不足時(shí)：

1、如果為0的話(huà)，那么系統(tǒng)會(huì)傾向于從其他節(jié)點(diǎn)分配內(nèi)存

2、如果為1的話(huà)，那么系統(tǒng)會(huì)傾向于從本地節(jié)點(diǎn)回收Cache內(nèi)存多數(shù)時(shí)候

b、Cache對(duì)性能很重要，所以0是一個(gè)更好的選擇

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mongodb的NUMA問(wèn)題

mongodb日志顯示如下:

WARNING: You are running on a NUMA machine.

We suggest launching mongod like this to avoid performance problems:

numactl –interleave=all mongod [other options]

解決方案，臨時(shí)修改numa內(nèi)存分配策略為 interleave=all （在所有node節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交織分配的策略）：

1.在原啟動(dòng)命令前面加numactl –interleave=all

如# numactl --interleave=all ${MONGODB_HOME}/bin/mongod --config conf/mongodb.conf

2.修改內(nèi)核參數(shù)

echo 0 > /proc/sys/vm/zone_reclaim_mode ; echo "vm.zone_reclaim_mode = 0" >> /etc/sysctl.conf

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一、NUMA和SMP

NUMA和SMP是兩種CPU相關(guān)的硬件架構(gòu)。在SMP架構(gòu)里面，所有的CPU爭(zhēng)用一個(gè)總線來(lái)訪問(wèn)所有內(nèi)存，優(yōu)點(diǎn)是資源共享，而缺點(diǎn)是總線爭(zhēng)用激烈。隨著PC服務(wù)器上的CPU數(shù)量變多（不僅僅是CPU核數(shù)），總線爭(zhēng)用的弊端慢慢越來(lái)越明顯，于是Intel在Nehalem CPU上推出了NUMA架構(gòu)，而AMD也推出了基于相同架構(gòu)的Opteron CPU。

NUMA最大的特點(diǎn)是引入了node和distance的概念。對(duì)于CPU和內(nèi)存這兩種最寶貴的硬件資源，NUMA用近乎嚴(yán)格的方式劃分了所屬的資源組（node），而每個(gè)資源組內(nèi)的CPU和內(nèi)存是幾乎相等。資源組的數(shù)量取決于物理CPU的個(gè)數(shù)（現(xiàn)有的PC server大多數(shù)有兩個(gè)物理CPU，每個(gè)CPU有4個(gè)核）；distance這個(gè)概念是用來(lái)定義各個(gè)node之間調(diào)用資源的開(kāi)銷(xiāo)，為資源調(diào)度優(yōu)化算法提供數(shù)據(jù)支持。

二、NUMA相關(guān)的策略

1、每個(gè)進(jìn)程（或線程）都會(huì)從父進(jìn)程繼承NUMA策略，并分配有一個(gè)優(yōu)先node。如果NUMA策略允許的話(huà)，進(jìn)程可以調(diào)用其他node上的資源。

2、NUMA的CPU分配策略有cpunodebind、physcpubind。cpunodebind規(guī)定進(jìn)程運(yùn)行在某幾個(gè)node之上，而physcpubind可以更加精細(xì)地規(guī)定運(yùn)行在哪些核上。

3、NUMA的內(nèi)存分配策略有l(wèi)ocalalloc、preferred、membind、interleave。

localalloc規(guī)定進(jìn)程從當(dāng)前node上請(qǐng)求分配內(nèi)存；

而preferred比較寬松地指定了一個(gè)推薦的node來(lái)獲取內(nèi)存，如果被推薦的node上沒(méi)有足夠內(nèi)存，進(jìn)程可以嘗試別的node。

membind可以指定若干個(gè)node，進(jìn)程只能從這些指定的node上請(qǐng)求分配內(nèi)存。

interleave規(guī)定進(jìn)程從指定的若干個(gè)node上以RR（Round Robin 輪詢(xún)調(diào)度）算法交織地請(qǐng)求分配內(nèi)存。

因?yàn)镹UMA默認(rèn)的內(nèi)存分配策略是優(yōu)先在進(jìn)程所在CPU的本地內(nèi)存中分配，會(huì)導(dǎo)致CPU節(jié)點(diǎn)之間內(nèi)存分配不均衡，當(dāng)某個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致swap產(chǎn)生，而不是從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)分配內(nèi)存。這就是所謂的swap insanity 現(xiàn)象。

MySQL采用了線程模式，對(duì)于NUMA特性的支持并不好，如果單機(jī)只運(yùn)行一個(gè)MySQL實(shí)例，我們可以選擇關(guān)閉NUMA，關(guān)閉的方法有三種：

1.硬件層，在BIOS中設(shè)置關(guān)閉

2.OS內(nèi)核，啟動(dòng)時(shí)設(shè)置numa=off；

3.可以用numactl命令將內(nèi)存分配策略修改為interleave（交叉)。

如果單機(jī)運(yùn)行多個(gè)MySQL實(shí)例，我們可以將MySQL綁定在不同的CPU節(jié)點(diǎn)上，并且采用綁定的內(nèi)存分配策略，強(qiáng)制在本節(jié)點(diǎn)內(nèi)分配內(nèi)存，這樣既可以充分利用硬件的NUMA特性，又避免了單實(shí)例MySQL對(duì)多核CPU利用率不高的問(wèn)題

三、NUMA和swap的關(guān)系

可能大家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，NUMA的內(nèi)存分配策略對(duì)于進(jìn)程（或線程）之間來(lái)說(shuō)，并不是公平的。在現(xiàn)有的Redhat  Linux 中，localalloc是默認(rèn)的NUMA內(nèi)存分配策略，這個(gè)配置選項(xiàng)導(dǎo)致資源獨(dú)占程序很容易將某個(gè)node的內(nèi)存用盡。而當(dāng)某個(gè)node的內(nèi)存耗盡時(shí)，Linux又剛好將這個(gè)node分配給了某個(gè)需要消耗大量?jī)?nèi)存的進(jìn)程（或線程），swap就妥妥地產(chǎn)生了。盡管此時(shí)還有很多page cache可以釋放，甚至還有很多的free內(nèi)存。

四、解決swap問(wèn)題

雖然NUMA的原理相對(duì)復(fù)雜，實(shí)際上解決swap卻很簡(jiǎn)單：只要在啟動(dòng)MySQL之前使用numactl –interleave來(lái)修改NUMA策略即可。

值得注意的是，numactl這個(gè)命令不僅僅可以調(diào)整NUMA策略，也可以用來(lái)查看當(dāng)前各個(gè)node的資源使用情況，是一個(gè)很值得研究的命令。

一、CPU
　　首先從CPU說(shuō)起。
　　你仔細(xì)檢查的話(huà)，有些服務(wù)器上會(huì)有的一個(gè)有趣的現(xiàn)象：你cat /proc/cpuinfo時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)CPU的頻率竟然跟它標(biāo)稱(chēng)的頻率不一樣：
　　#cat /proc/cpuinfo
　　processor : 5
　　model name : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620 0 @2.00GHz
　　cpu MHz : 1200.000
　　這個(gè)是Intel E5-2620的CPU，他是2.00G * 24的CPU，但是，我們發(fā)現(xiàn)第5顆CPU的頻率為1.2G。
　　這是什么原因呢?
　　這些其實(shí)都源于CPU最新的技術(shù)：節(jié)能模式。操作系統(tǒng)和CPU硬件配合，系統(tǒng)不繁忙的時(shí)候，為了節(jié)約電能和降低溫度，它會(huì)將CPU降頻。這對(duì)環(huán)保人士和抵制地球變暖來(lái)說(shuō)是一個(gè)福音，但是對(duì)MySQL來(lái)說(shuō)，可能是一個(gè)災(zāi)難。
　　為了保證MySQL能夠充分利用CPU的資源，建議設(shè)置CPU為最大性能模式。這個(gè)設(shè)置可以在BIOS和操作系統(tǒng)中設(shè)置，當(dāng)然，在BIOS中設(shè)置該選項(xiàng)更好，更徹底。由于各種BIOS類(lèi)型的區(qū)別，設(shè)置為CPU為最大性能模式千差萬(wàn)別，我們這里就不具體展示怎么設(shè)置了。
　　然后我們看看內(nèi)存方面，我們有哪些可以?xún)?yōu)化的。
　　i) 我們先看看numa
　　非一致存儲(chǔ)訪問(wèn)結(jié)構(gòu) (NUMA ： Non-Uniform Memory Access) 也是最新的內(nèi)存管理技術(shù)。它和對(duì)稱(chēng)多處理器結(jié)構(gòu) (SMP ： Symmetric Multi-Processor) 是對(duì)應(yīng)的。簡(jiǎn)單的隊(duì)別如下：
　　如圖所示，詳細(xì)的NUMA信息我們這里不介紹了。但是我們可以直觀的看到：SMP訪問(wèn)內(nèi)存的都是代價(jià)都是一樣的;但是在NUMA架構(gòu)下，本地內(nèi)存的訪問(wèn)和非 本地內(nèi)存的訪問(wèn)代價(jià)是不一樣的。對(duì)應(yīng)的根據(jù)這個(gè)特性，操作系統(tǒng)上，我們可以設(shè)置進(jìn)程的內(nèi)存分配方式。目前支持的方式包括：
　　--interleave=nodes
　　--membind=nodes
　　--cpunodebind=nodes
　　--physcpubind=cpus
　　--localalloc
　　--preferred=node
　　簡(jiǎn)而言之，就是說(shuō)，你可以指定內(nèi)存在本地分配，在某幾個(gè)CPU節(jié)點(diǎn)分配或者輪詢(xún)分配。除非 是設(shè)置為--interleave=nodes輪詢(xún)分配方式，即內(nèi)存可以在任意NUMA節(jié)點(diǎn)上分配這種方式以外。其他的方式就算其他NUMA節(jié)點(diǎn)上還有內(nèi) 存剩余，Linux也不會(huì)把剩余的內(nèi)存分配給這個(gè)進(jìn)程，而是采用SWAP的方式來(lái)獲得內(nèi)存。有經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)管理員或者DBA都知道SWAP導(dǎo)致的數(shù)據(jù)庫(kù)性能 下降有多么坑爹。
　　所以最簡(jiǎn)單的方法，還是關(guān)閉掉這個(gè)特性。
　　關(guān)閉特性的方法，分別有：可以從BIOS，操作系統(tǒng)，啟動(dòng)進(jìn)程時(shí)臨時(shí)關(guān)閉這個(gè)特性。
　　a) 由于各種BIOS類(lèi)型的區(qū)別，如何關(guān)閉NUMA千差萬(wàn)別，我們這里就不具體展示怎么設(shè)置了。
　　b) 在操作系統(tǒng)中關(guān)閉，可以直接在/etc/grub.conf的kernel行最后添加numa=off，如下所示：
　　kernel /vmlinuz-2.6.32-220.el6.x86_64 ro root=/dev/mapper/VolGroup-root rd_NO_LUKS.UTF-8 rd_LVM_LV=VolGroup/root rd_NO_MD quiet SYSFONT=latarcyrheb-sun16 rhgb crashkernel=auto rd_LVM_LV=VolGroup/swap rhgb crashkernel=auto quiet KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us rd_NO_DM numa=off
　　另外可以設(shè)置 vm.zone_reclaim_mode=0盡量回收內(nèi)存。
　　c) 啟動(dòng)MySQL的時(shí)候，關(guān)閉NUMA特性：
　　numactl --interleave=all mysqld
　　當(dāng)然，最好的方式是在BIOS中關(guān)閉。
　　ii) 我們?cè)倏纯磛m.swappiness。
　　vm.swappiness是操作系統(tǒng)控制物理內(nèi)存交換出去的策略。它允許的值是一個(gè)百分比的值，最小為0，最大運(yùn)行100，該值默認(rèn)為60。vm.swappiness設(shè)置為0表示盡量少swap，100表示盡量將inactive的內(nèi)存頁(yè)交換出去。
　　具體的說(shuō)：當(dāng)內(nèi)存基本用滿(mǎn)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這個(gè)參數(shù)來(lái)判斷是把內(nèi)存中很少用到的inactive 內(nèi)存交換出去，還是釋放數(shù)據(jù)的cache。cache中緩存著從磁盤(pán)讀出來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)程序的局部性原理，這些數(shù)據(jù)有可能在接下來(lái)又要被讀 取;inactive 內(nèi)存顧名思義，就是那些被應(yīng)用程序映射著，但是 長(zhǎng)時(shí)間 不用的內(nèi)存。
　　我們可以利用vmstat看到inactive的內(nèi)存的數(shù)量：
　　#vmstat -an 1
　　procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
　　r b swpd free inact active si so bi bo in cs us sy id wa st
　　1 0 0 27522384 326928 1704644 0 0 0 153 11 10 0 0 100 0 0
　　0 0 0 27523300 326936 1704164 0 0 0 74 784 590 0 0 100 0 0
　　0 0 0 27523656 326936 1704692 0 0 8 8 439 1686 0 0 100 0 0
　　0 0 0 27524300 326916 1703412 0 0 4 52 198 262 0 0 100 0 0
　　通過(guò)/proc/meminfo 你可以看到更詳細(xì)的信息：
　　#cat /proc/meminfo | grep -i inact
　　Inactive: 326972 kB
　　Inactive(anon): 248 kB
　　Inactive(file): 326724 kB
　　這里我們對(duì)不活躍inactive內(nèi)存進(jìn)一步深入討論。 Linux中，內(nèi)存可能處于三種狀態(tài)：free，active和inactive。眾所周知，Linux Kernel在內(nèi)部維護(hù)了很多LRU列表用來(lái)管理內(nèi)存，比如LRU_INACTIVE_ANON, LRU_ACTIVE_ANON, LRU_INACTIVE_FILE , LRU_ACTIVE_FILE, LRU_UNEVICTABLE。其中LRU_INACTIVE_ANON, LRU_ACTIVE_ANON用來(lái)管理匿名頁(yè)，LRU_INACTIVE_FILE , LRU_ACTIVE_FILE用來(lái)管理page caches頁(yè)緩存。系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)根據(jù)內(nèi)存頁(yè)的訪問(wèn)情況，不定時(shí)的將活躍active內(nèi)存被移到inactive列表中，這些inactive的內(nèi)存可以被 交換到swap中去。
　　一般來(lái)說(shuō)，MySQL，特別是InnoDB管理內(nèi)存緩存，它占用的內(nèi)存比較多，不經(jīng)常訪問(wèn)的內(nèi)存也會(huì)不少，這些內(nèi)存如果被Linux錯(cuò)誤的交換出去了，將浪費(fèi)很多CPU和IO資源。 InnoDB自己管理緩存，cache的文件數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)占用了內(nèi)存，對(duì)InnoDB幾乎沒(méi)有任何好處。
　　所以，我們?cè)贛ySQL的服務(wù)器上最好設(shè)置vm.swappiness=1或0

上述內(nèi)容就是NUMA技術(shù)怎么用，你們學(xué)到知識(shí)或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識(shí)儲(chǔ)備，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。