一次搞懂 Docker CPU 資源限制

docker 除了可以透過參數限制 container 的 memory 使用量，也能限制每個 container 能取得的 CPU 資源，讓系統的 CPU 可以最大化使用，又不讓高優先度的 container 損失效能，一起來研究如何設定吧！

Cpuset 限制

設定 cpuset 指定 container 只能跑在特定的 CPU 核心上。比如在 arm CPU 會有 big.LITTLE 的設計，此時可以指定 container 跑在大核或小核上。

參數

# command line
--cpuset-cpus
# docker-compose (v2)
cpuset

範例

假設我們在一個六核 CPU 上面，設定 container 只能跑在 CPU 0, CPU 1，指令可以這麼下

docker run -it --rm --cpuset-cpus="0,1" alexeiled/stress-ng stress --cpu 2  

因為我們開兩條 thread 去 stress，可以看到指定的兩顆 CPU 已經滿載

除了給定 CPU 編號，也能用範圍的方式表示，比如以下指令將會使用 CPU 0, CPU 1, CPU 2

docker run -it --rm --cpuset-cpus="0-2" alexeiled/stress-ng stress --cpu 2

如果在 docker-compose v2 ，則是這樣寫

version: '2.3'
services:
  app:
    cpuset: "0,1,2" # or "0-2"

CPU period 限制

設定 CPU period 指定 container 最多能使用的 CPU 時間，可簡單看成最大能使用的 CPU 數。

參數

# command line
--cpus
# docker-compose (v2)
cpus

範例

假設我們在二核 CPU 上測試，指定 container 最多只能使用 1 CPU ，但壓測時故意開 4 thread，指令如下

docker run -it --rm --cpus="1" alexeiled/stress-ng stress --cpu 4

可以看到 container 最多只能跑到 100% CPU，符合預期

df0a3a768016   test-cpus-1     100.12%    15.86MiB / 3.773GiB   0.41%     3.55kB / 0B       0B / 0B           5

如果看實體 CPU 狀況，發現 docker 會將 thread 平均分散到兩個 CPU 上面，但是各佔 50%，加起來剛好是 100% CPU = 1 CPU

當然也可以給予「小數」，比如設定「3.5」，表示最多可以使用 350% （3.5 顆）CPU。

如果在 docker-compose v2 中，則是這樣寫

version: '2.3'
services:
  app:
    cpus: 1

CPU shares 限制

設定 CPU shares 可以指定當 CPU 滿載時，container 能取得多少 CPU 份額。亦可理解成當 CPU 資源不夠（滿載）的時候，container 搶奪 CPU 的能力。因此這是相對比較用的值。沒有設定時，docker 預設為 1024。

看完可能還是不太清楚，直接上範例！

參數

# command line
--cpu-shares
# docker-compose (v2)
cpu_shares

範例

假設我們在一核 CPU 上測試，其中一個 container 設定 512，另一個設定 1024，兩個 container 都嘗試用滿 CPU，此時 CPU shares 設定介入資源分配

docker run -it --rm --cpu-shares=512 --name="share-512" alexeiled/stress-ng stress --cpu 1
docker run -it --rm --cpu-shares=1024 --name="share-1024" alexeiled/stress-ng stress --cpu 1

觀察目前 container 的 CPU 使用率，發現 share-512 用約 34%，share-1024 用約 67%。

11eabb0720a7   share-512      33.83%    5.805MiB / 3.773GiB   0.15%     3.67kB / 0B       0B / 0B           2
7114a7965357   share-1024     66.81%    5.797MiB / 3.773GiB   0.15%     2.73kB / 0B       0B / 0B           2

快速算法是將 CPU 總資源除以所有的 container cpu-shares，再分別乘上各自的佔比，即可求得最終能搶奪的 CPU 資源，算式如下：

同理，如果一核 CPU 下有四個 container ，分別設定 cpu-shares：

container 1: 512
container 2: 512
container 3: 1024
container 4: 1024

可以透過上面算式預期最滿載時的資源分配如下：

container 1: 16.5%
container 2: 16.5%
container 3: 33%
container 4: 33%

但如果今天是四核 CPU，則四個 container 會分散到不同的核心上，這樣每個 container 都得吃到 100%。

如果在 docker-compose v2 中，則是這樣寫

version: '2.3'
services:
  app:
    cpu_shares: 512

綜合應用

這些參數可以綜合起來使用，比如，我想讓 container 跑在 CPU 0, 1, 2 上，但最多只能用到 1.5 核 CPU，同時 shares 為 512，我可以這麼設定：

--cpuset-cpus="0-2"
--cpus="1.5"
--cpu-shares=512 

屆時可以觀察到，CPU 資源足夠時，container 整體最多可以吃到 150% CPU。如果是多執行緒，會分散在 CPU 0, 1, 2 上。單執行緒則會在 CPU 0, 1, 2 其中一核上跑。

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參考資料：
Runtime options with Memory, CPUs, and GPUs
Docker CPU资源限制