kvm虚拟机配置，kvm虚拟机cpu设置

***：本文主要涉及KVM虚拟机的配置，重点聚焦于KVM虚拟机的CPU设置。KVM作为一种开源的系统虚拟化模块，在创建虚拟机时，合理的CPU设置对虚拟机性能有着重要影响。这包括如何根据实际需求确定CPU核心数量、分配CPU资源、调整CPU频率等相关设置内容，这些设置有助于优化虚拟机在不同工作负载下的运行效率。

本文目录导读：

1. KVM虚拟机CPU设置的基础知识
2. KVM虚拟机CPU分配策略
3. KVM虚拟机CPU相关的性能优化
4. KVM虚拟机CPU监控与故障排查

《KVM虚拟机CPU设置全解析》

在当今的云计算和虚拟化环境中，KVM（Kernel - based Virtual Machine）作为一种开源的、基于Linux内核的虚拟机监控器（Hypervisor），被广泛应用于服务器虚拟化，在KVM虚拟机的配置中，CPU设置是一个至关重要的环节，它直接影响着虚拟机的性能、资源利用率以及运行在虚拟机内的应用程序的响应速度等多方面的特性，合理地设置KVM虚拟机的CPU参数，可以在满足业务需求的同时，实现硬件资源的高效利用。

KVM虚拟机CPU设置的基础知识

（一）物理CPU与虚拟CPU的关系

1、物理CPU架构

- 现代服务器通常配备了多核心的CPU，这些CPU遵循特定的架构，如x86 - 64架构，不同架构的CPU在指令集、缓存结构等方面存在差异，x86 - 64架构支持64位的运算和寻址模式，具有丰富的指令集，包括整数运算、浮点运算、多媒体处理等指令。

- 在服务器硬件中，物理CPU通过主板上的总线与其他硬件组件（如内存、磁盘控制器等）进行通信，物理CPU的核心数、线程数（如超线程技术下每个核心可以模拟出两个线程）以及缓存大小等参数对虚拟机的性能有着重要的影响。

2、虚拟CPU（vCPU）概念

- 当创建KVM虚拟机时，可以为虚拟机分配虚拟CPU，vCPU是虚拟机内部操作系统和应用程序所感知到的CPU资源，它是对物理CPU资源的抽象和分配，可以为一个KVM虚拟机分配1个、2个或更多的vCPU，这取决于虚拟机的工作负载需求。

- vCPU的运行依赖于物理CPU，KVM虚拟机监控器负责将vCPU的指令映射到物理CPU上执行，这种映射关系需要考虑物理CPU的资源分配和调度策略，以确保多个虚拟机之间的公平性和高效性。

（二）CPU拓扑结构在KVM中的体现

1、物理CPU拓扑结构

- 在物理服务器上，CPU的拓扑结构包括多个层次，多个物理CPU插槽（Socket），每个插槽包含多个核心（Core），每个核心又可能支持超线程（Hyper - Threading）技术从而产生多个逻辑处理器（Logical Processor），以一个双插槽服务器为例，每个插槽有16个核心，每个核心支持超线程技术，那么该服务器总共就有2 * 16 * 2 = 64个逻辑处理器。

2、KVM虚拟机中的CPU拓扑呈现

- 在KVM虚拟机中，可以模拟出类似的CPU拓扑结构，可以为虚拟机设置不同的CPU拓扑，例如指定虚拟机的vCPU分布在不同的物理CPU插槽或者核心上，这对于一些对CPU拓扑敏感的应用程序（如某些高性能计算应用）非常重要，通过合理设置CPU拓扑，可以减少缓存一致性开销，提高应用程序的性能。

KVM虚拟机CPU分配策略

（一）静态分配

1、固定vCPU数量分配

- 这种分配方式是在创建虚拟机时就明确指定固定数量的vCPU，为一个数据库服务器虚拟机分配4个vCPU，这种分配方式简单直接，适用于对CPU资源需求相对稳定的应用场景。

- 优点：

- 虚拟机的CPU资源是固定的，易于规划和管理，系统管理员可以根据应用程序的官方推荐配置或者以往的经验，准确地为虚拟机分配CPU资源，对于一个小型企业的文件服务器，根据其预计的用户并发访问数量和文件操作频率，确定分配2个vCPU就可以满足需求。

- 对于一些对CPU资源独占性要求较高的应用，如某些企业级的数据库管理系统，固定分配vCPU可以确保在高负载情况下，数据库服务器有足够的CPU资源来处理查询和事务操作，避免因为CPU资源竞争导致的性能下降。

- 缺点：

- 可能导致资源浪费，如果虚拟机的工作负载在某些时间段较低，固定分配的vCPU可能处于闲置状态，而其他虚拟机可能因为资源不足而无法充分利用物理CPU资源，一个开发测试环境中的虚拟机，在开发人员下班后，其工作负载几乎为零，但仍然占用着预先分配的vCPU资源。

2、基于插槽和核心的静态分配

- 除了简单地分配vCPU数量，还可以基于物理CPU的插槽和核心进行静态分配，可以指定虚拟机的vCPU分布在特定的物理CPU插槽中的特定核心上。

- 这种分配方式对于一些需要优化CPU缓存利用率的应用程序非常有用，如果将一个虚拟机的多个vCPU分配到同一个物理CPU核心或者相邻的核心上，可以提高缓存命中率，对于一个内存密集型的应用程序，通过将其vCPU集中分配到具有共享缓存的核心上，可以减少数据在缓存和内存之间的传输延迟，从而提高应用程序的运行速度。

（二）动态分配

1、CPU份额（Shares）分配

- KVM支持通过CPU份额来动态分配CPU资源，每个虚拟机可以被分配一定数量的CPU份额，当物理CPU资源有空闲时，具有较高份额的虚拟机可以优先获得更多的CPU资源。

- 假设有三个虚拟机A、B和C，分别被分配了100、200和300的CPU份额，如果物理CPU有空闲资源，那么虚拟机C将获得最多的额外CPU资源，其次是B，最后是A，这种分配方式是相对的，取决于各个虚拟机的份额比例以及物理CPU的空闲资源量。

- 优点：

- 可以根据虚拟机的重要性或者业务需求灵活地分配CPU资源，对于关键业务的虚拟机，可以分配较高的CPU份额，以确保在资源竞争时能够优先获得足够的CPU资源，将生产环境中的关键应用服务器的CPU份额设置得较高，而将测试环境中的虚拟机份额设置得较低。

- 能够更好地适应变化的工作负载，在虚拟机的工作负载动态变化的情况下，CPU份额机制可以根据实际情况动态地调整各个虚拟机的CPU资源分配，提高整体资源利用率。

- 缺点：

- 份额的分配需要谨慎规划，如果份额设置不合理，可能导致某些虚拟机无法获得足够的CPU资源，影响其性能，如果为太多的虚拟机设置了过高的份额，可能会导致在物理CPU资源紧张时，所有虚拟机都无法获得足够的CPU资源，出现性能瓶颈。

2、CPU限制（Limit）和预留（Reservation）

- CPU限制是指为虚拟机设置一个CPU使用率的上限，可以设置一个虚拟机的CPU使用率上限为50%，这意味着即使物理CPU有空闲资源，该虚拟机最多也只能使用物理CPU资源的50%。

- CPU预留则是为虚拟机保证一定数量的CPU资源，为一个虚拟机预留1个物理CPU核心的资源，这意味着在任何情况下，该虚拟机至少可以使用相当于1个物理CPU核心的计算能力。

- 优点：

- CPU限制可以防止某个虚拟机过度占用物理CPU资源，从而影响其他虚拟机的正常运行，在一个多租户的云计算环境中，防止某个租户的虚拟机因为程序错误或者恶意行为而消耗过多的CPU资源。

- CPU预留可以确保关键虚拟机在任何时候都有足够的CPU资源来运行重要的业务应用，对于一个实时金融交易处理的虚拟机，通过CPU预留可以保证在高负载情况下交易处理的及时性和准确性。

- 缺点：

- 过于严格的CPU限制可能会导致虚拟机无法充分利用物理CPU的空闲资源，降低虚拟机的性能，如果一个虚拟机的工作负载突然增加，但是由于CPU限制，它无法使用更多的资源，从而导致响应时间延长。

- CPU预留可能会导致资源闲置，如果预留的CPU资源在某些时间段内虚拟机不需要，那么这部分资源就会被浪费，无法被其他虚拟机使用。

KVM虚拟机CPU相关的性能优化

（一）CPU亲和性设置

1、什么是CPU亲和性

- CPU亲和性是指将进程或者线程绑定到特定的CPU核心上运行的能力，在KVM虚拟机中，可以设置vCPU的亲和性，即将虚拟机的vCPU绑定到特定的物理CPU核心上。

2、性能优化原理

- 当一个虚拟机的vCPU被绑定到特定的物理CPU核心上时，可以减少CPU缓存的刷新和重新加载，因为如果vCPU在不同的物理CPU核心之间频繁切换，会导致缓存中的数据需要重新加载，增加缓存一致性的开销，对于一个频繁进行数据处理的虚拟机，将其vCPU绑定到具有较大缓存的物理CPU核心上，并保持亲和性，可以提高数据处理的速度。

3、设置方法

- 在KVM中，可以通过命令行工具或者配置文件来设置CPU亲和性，使用taskset命令可以将虚拟机进程的特定线程绑定到指定的CPU核心上，在配置文件中，可以通过特定的参数来指定vCPU的亲和性设置。

（二）超线程技术在KVM虚拟机中的应用

1、超线程技术原理

- 超线程技术是一种在单个物理CPU核心上模拟出两个逻辑处理器的技术，每个逻辑处理器可以独立地执行指令流，从而在一定程度上提高CPU的并行处理能力，在一个具有超线程技术的物理CPU核心上，一个逻辑处理器可以执行整数运算指令，另一个逻辑处理器可以执行浮点运算指令，从而提高了核心的利用率。

2、在KVM虚拟机中的影响

- 在KVM虚拟机中，是否使用超线程技术需要谨慎考虑，使用超线程技术可以为虚拟机提供更多的逻辑vCPU资源，在某些工作负载下可以提高虚拟机的性能，对于多线程的应用程序，更多的逻辑vCPU可以提供更多的并行处理能力。

- 如果物理CPU资源本身已经非常紧张，超线程技术可能会带来负面影响，因为超线程技术共享物理CPU核心的一些资源，如缓存、执行单元等，如果多个逻辑vCPU竞争这些共享资源，可能会导致性能下降，在一个高负载的数据库服务器环境中，如果过度依赖超线程技术提供的逻辑vCPU，可能会因为资源竞争而导致数据库查询性能下降。

（三）针对不同应用类型的CPU设置优化

1、计算密集型应用

- 对于计算密集型应用，如科学计算、数据分析等，应该优先考虑为虚拟机分配足够数量的vCPU，可以采用静态分配方式，根据应用程序的并行化程度确定vCPU数量，对于一个可以并行处理的数据分析任务，如果算法可以在8个线程上并行执行，那么为虚拟机分配8个vCPU可以提高计算效率。

- 可以考虑CPU拓扑结构的优化，将虚拟机的vCPU分配到相邻的物理CPU核心上，以提高缓存命中率，并且可以设置CPU亲和性，将计算任务绑定到特定的vCPU和物理CPU核心上，减少上下文切换和缓存刷新的开销。

2、I/O密集型应用

- I/O密集型应用（如Web服务器、数据库服务器等）的性能瓶颈通常在于I/O操作，而不是CPU计算能力，在这种情况下，不需要为虚拟机分配过多的vCPU，2 - 4个vCPU可能就足够满足I/O密集型应用的需求。

- 对于这类应用，可以更注重CPU资源的动态分配，使用CPU份额机制，根据I/O负载的变化动态调整CPU资源在不同虚拟机之间的分配，可以通过设置CPU限制来防止I/O操作导致的CPU使用率过高，影响其他虚拟机的运行。

KVM虚拟机CPU监控与故障排查

（一）CPU监控工具

1、宿主机端监控工具

top命令：这是一个常用的Linux系统监控工具，可以在宿主机上查看各个虚拟机进程（KVM虚拟机在宿主机上表现为一个进程）的CPU使用率、内存使用率等信息，通过top命令，可以快速了解虚拟机的CPU资源占用情况，判断是否存在CPU资源瓶颈。

sar命令：系统活动报告（System Activity Reporter）工具，可以收集和报告系统的各种活动信息，包括CPU的使用率、负载等，sar命令可以提供历史数据，方便管理员分析虚拟机在一段时间内的CPU使用趋势。

virt - manager图形界面：如果宿主机安装了virt - manager工具，可以通过图形界面直观地查看虚拟机的CPU使用率、分配的vCPU数量等信息，这种方式对于不熟悉命令行操作的管理员非常友好。

2、虚拟机内部监控工具

- 在虚拟机内部，可以使用操作系统自带的监控工具，在Linux虚拟机中，可以使用top、htop等命令来监控虚拟机内部的CPU使用率，在Windows虚拟机中，可以使用任务管理器来查看CPU使用率等信息，这些工具可以帮助管理员了解虚拟机内部应用程序对CPU资源的使用情况，以便进行性能优化和故障排查。

（二）常见CPU相关故障及排查方法

1、CPU使用率过高故障

排查步骤：

- 在宿主机端使用top或sar命令查看是哪个虚拟机的CPU使用率过高，如果是某个虚拟机的CPU使用率过高，进入该虚拟机内部，使用虚拟机内部的监控工具进一步查看是哪个进程或应用程序导致CPU使用率过高。

- 对于KVM虚拟机，如果是因为vCPU分配不合理导致CPU使用率过高，可以考虑调整vCPU的数量、分配策略（如从静态分配改为动态分配）或者CPU亲和性设置，如果是虚拟机内部的应用程序问题，如程序死循环或者算法优化问题，需要对应用程序进行调试和优化。

2、CPU性能下降故障

排查步骤：

- 检查物理CPU的健康状况，在宿主机上，可以使用硬件诊断工具查看物理CPU是否存在故障，如过热、降频等问题，如果物理CPU存在问题，需要对硬件进行维修或更换。

- 检查KVM虚拟机的CPU设置，查看是否因为CPU限制设置过于严格、超线程技术使用不当或者CPU拓扑结构设置不合理导致CPU性能下降，如果发现超线程技术在高负载下导致性能下降，可以尝试关闭超线程技术，重新评估虚拟机的CPU需求并进行合理分配。

KVM虚拟机的CPU设置是一个复杂而又关键的任务，涉及到多个方面的知识和技术，从CPU的基础知识，如物理CPU与虚拟CPU的关系、CPU拓扑结构，到CPU的分配策略（静态分配和动态分配），再到性能优化（CPU亲和性、超线程技术等）以及监控与故障排查等方面，每一个环节都对虚拟机的性能和稳定性有着重要的影响，在实际应用中，系统管理员需要根据具体的业务需求、硬件环境以及应用程序的特点，综合考虑各种因素，合理地设置KVM虚拟机的CPU参数，以实现高效的资源利用和良好的业务性能，通过有效的监控和故障排查手段，可以及时发现和解决CPU相关的问题，确保KVM虚拟机环境的稳定运行。