云原生之深入解析如何正确计算Kubernetes容器CPU使用率

一、简介说明

使用 Prometheus 配置 kubernetes 环境中 Container 的 CPU 使用率时，会经常遇到 CPU 使用超出 100%，现在来分析一下：
- container_spec_cpu_period：当对容器进行 CPU 限制时，CFS 调度的时间窗口，又称容器 CPU 的时钟周期通常是 100000 微秒
- container_spec_cpu_quota：是指容器的使用 CPU 时间周期总量，如果 quota 设置的是 700，000，就代表该容器可用的 CPU 时间是 7*100000 微秒，通常对应 kubernetes 的 resource.cpu.limits 的值；
- container_spec_cpu_share：是指 container 使用分配主机 CPU 相对值，比如 share 设置的是 500m，代表窗口启动时向主机节点申请 0.5 个 CPU，也就是 50000 微秒，通常对应 kubernetes 的 resource.cpu.requests 的值；
- container_cpu_usage_seconds_total：统计容器的 CPU 在一秒内消耗使用率，应注意的是该 container 所有的 CORE；
- container_cpu_system_seconds_total：统计容器内核态在一秒时间内消耗的 CPU；
- container_cpu_user_seconds_total：统计容器用户态在一秒时间内消耗的 CPU。

二、具体计算

默认如果直接使用 container_cpu_usage_seconds_total 的话，如下所示：

sum(irate(container_cpu_usage_seconds_total{container="$Container",instance="$Node",pod="$Pod"}[5m])*100)by(pod)

默认统计的数据是该容器所有的 CORE 的平均使用率：

在这里插入图片描述

如果要精确计算每个容器的 CPU 使用率，使用 % 呈现的形式，如下所示：

sum(irate(container_cpu_usage_seconds_total{container="$Container",instance="$Node",pod="$Pod"}[5m])*100)by(pod)/sum(container_spec_cpu_quota{container="$Container",instance="$Node",pod="$Pod"}/container_spec_cpu_period{container="$Container",instance="$Node",pod="$Pod"})by(pod)

其中 container_spec_cpu_quota/container_spec_cpu_period，就代表该容器有多少个 CORE：

在这里插入图片描述

三、docker stats

docker stats 输出的指标列是如何计算的，如下：
- 首先 docker stats 是通过 Docker API /containers/(id)/stats 接口来获得 live data stream，再通过 docker stats 进行整合；
- 在 Linux 中使用 docker stats 输出的内存使用率（MEM USAGE），实则该列的计算是不包含 Cache 的内存；
- cache usage 在 ≤ docker 19.03 版本的 API 接口输出对应的字段是 memory_stats.total_inactive_file，而 > docker 19.03 的版本对应的字段是 memory_stats.cache；
- docker stats 输出的 PIDS 一列代表的是该容器创建的进程或线程的数量，threads 是 Linux kernel 中的一个术语，又称 lightweight process & kernel task；
那么，如何通过 Docker API 查看容器资源使用率？如下所示：

$ curl -s --unix-socket /var/run/docker.sock "http://localhost/v1.40/containers/10f2db238edc/stats" | jq -r
{
  "read": "2022-01-05T06:14:47.705943252Z",
  "preread": "0001-01-01T00:00:00Z",
  "pids_stats": {
    "current": 240
  },
  "blkio_stats": {
    "io_service_bytes_recursive": [
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Read",
        "value": 0
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Write",
        "value": 917504
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Sync",
        "value": 0
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Async",
        "value": 917504
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Discard",
        "value": 0
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Total",
        "value": 917504
      }
    ],
    "io_serviced_recursive": [
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Read",
        "value": 0
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Write",
        "value": 32
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Sync",
        "value": 0
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Async",
        "value": 32
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Discard",
        "value": 0
      },
      {
        "major": 253,
        "minor": 0,
        "op": "Total",
        "value": 32
      }
    ],
    "io_queue_recursive": [],
    "io_service_time_recursive": [],
    "io_wait_time_recursive": [],
    "io_merged_recursive": [],
    "io_time_recursive": [],
    "sectors_recursive": []
  },
  "num_procs": 0,
  "storage_stats": {},
  "cpu_stats": {
    "cpu_usage": {
      "total_usage": 251563853433744,
      "percpu_usage": [
        22988555937059,
        6049382848016,
        22411490707722,
        5362525449957,
        25004835766513,
        6165050456944,
        27740046633494,
        6245013152748,
        29404953317631,
        5960151933082,
        29169053441816,
        5894880727311,
        25772990860310,
        5398581194412,
        22856145246881,
        5140195759848
      ],
      "usage_in_kernelmode": 30692640000000,
      "usage_in_usermode": 213996900000000
    },
    "system_cpu_usage": 22058735930000000,
    "online_cpus": 16,
    "throttling_data": {
      "periods": 10673334,
      "throttled_periods": 1437,
      "throttled_time": 109134709435
    }
  },
  "precpu_stats": {
    "cpu_usage": {
      "total_usage": 0,
      "usage_in_kernelmode": 0,
      "usage_in_usermode": 0
    },
    "throttling_data": {
      "periods": 0,
      "throttled_periods": 0,
      "throttled_time": 0
    }
  },
  "memory_stats": {
    "usage": 8589447168,
    "max_usage": 8589926400,
    "stats": {
      "active_anon": 0,
      "active_file": 260198400,
      "cache": 1561460736,
      "dirty": 3514368,
      "hierarchical_memory_limit": 8589934592,
      "hierarchical_memsw_limit": 8589934592,
      "inactive_anon": 6947250176,
      "inactive_file": 1300377600,
      "mapped_file": 0,
      "pgfault": 3519153,
      "pgmajfault": 0,
      "pgpgin": 184508478,
      "pgpgout": 184052901,
      "rss": 6947373056,
      "rss_huge": 6090129408,
      "total_active_anon": 0,
      "total_active_file": 260198400,
      "total_cache": 1561460736,
      "total_dirty": 3514368,
      "total_inactive_anon": 6947250176,
      "total_inactive_file": 1300377600,
      "total_mapped_file": 0,
      "total_pgfault": 3519153,
      "total_pgmajfault": 0,
      "total_pgpgin": 184508478,
      "total_pgpgout": 184052901,
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    },
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  },
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