关于segmentfault:2个工具助你排查Kubelet-CPU-使用率过高问题

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本文是跟安信证券容器云技术团队独特进行问题排查的最佳实际。

咱们发现客户的 Kubernetes 集群环境中所有的 worker 节点的 Kubelet 过程的 CPU 使用率长时间占用过高，通过 pidstat 能够看到 CPU 使用率高达 100%。本文记录下了本次问题排查的过程。

应用 strace 工具对 kubelet 过程进行跟踪

1、因为 Kubelet 过程 CPU 使用率异样，能够应用 strace 工具对 kubelet 过程动静跟踪过程的调用状况，首先应用 strace -cp <PID> 命令统计 kubelet 过程在某段时间内的每个零碎调用的工夫、调用和谬误状况。

从上图能够看到，执行零碎调用过程中，futex 抛出了五千多个 errors，这并不是一个失常的数量，而且该函数占用的工夫达到了 99%，所以须要进一步查看 kubelet 过程相干的调用。

2、因为 strace -cp 命令只能查看过程的整体调用状况，所以咱们能够通过 strace -tt -p <PID> 命令打印每个零碎调用的工夫戳，如下：

从 strace 输入的后果来看，在执行 futex 相干的零碎调用时，有大量的 Connect timed out，并返回了 - 1 和 ETIMEDOUT 的 error，所以才会在 strace -cp 中看到了那么多的 error。

futex 是一种用户态和内核态混合的同步机制，当 futex 变量通知过程有竞争产生时，会执行零碎调用去实现相应的解决，例如 wait 或者 wake up，从官网的文档理解到，futex 有这么几个参数：

futex(uint32_t *uaddr, int futex_op, uint32_t val,
                 const struct timespec *timeout,   /* or: uint32_t val2 */
                 uint32_t *uaddr2, uint32_t val3);

官网文档给出 ETIMEDOUT 的解释：

ETIMEDOUT
       The operation in futex_op employed the timeout specified in
       timeout, and the timeout expired before the operation
       completed.

意思就是在指定的 timeout 工夫中，未能实现相应的操作，其中 futex_op 对应上述输入后果的 FUTEX_WAIT_PRIVATE 和FUTEX_WAIT_PRIVATE，能够看到根本都是产生在 FUTEX_WAIT_PRIVATE 时产生的超时。

从目前的零碎调用层面能够判断，futex 无奈顺利进入睡眠状态，然而 futex 进行了哪些操作还是不分明，因而仍无奈判断 kubeletCPU 飙高的起因，所以咱们须要进一步从 kubelet 的函数调用中去看到底是执行卡在了哪个中央。

FUTEX_PRIVATE_FLAG：这个参数通知内核 futex 是过程专用的，不与其余过程共享，这里的 FUTEX_WAIT_PRIVATE 和 FUTEX_WAKE_PRIVATE 就是其中的两种 FLAG；

futex 相干阐明 1：https://man7.org/linux/man-pa…
fuex 相干阐明 2：https://man7.org/linux/man-pa…

应用 go pprof 工具对 kubelet 函数调用进行剖析

晚期的 Kubernetes 版本，能够间接通过 debug/pprof 接口获取 debug 数据，前面思考到相干安全性的问题，勾销了这个接口，具体信息能够参考 CVE-2019-11248（https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/81023）。因而咱们将通过 kubectl 开启 proxy 进行相干数据指标的获取：

1、首先应用 kubectl proxy 命令启动 API server 代理

kubectl proxy --address='0.0.0.0'  --accept-hosts='^*$'

这里须要留神，如果应用的是 Rancher UI 上复制的 kubeconfig 文件，则须要应用指定了 master IP 的 context，如果是 RKE 或者其余工具装置则能够疏忽。

2、构建 Golang 环境。go pprof 须要在 golang 环境下应用，本地如果没有装置 golang，则能够通过 Docker 疾速构建 Golang 环境

docker run -itd --name golang-env --net host golang bash

3、应用 go pprof 工具导出采集的指标，这里替换 127.0.0.1 为 apiserver 节点的 IP，默认端口是 8001，如果 docker run 的环境跑在 apiserver 所在的节点上，能够应用 127.0.0.1。另外，还要替换 NODENAME 为对应的节点名称。

docker exec -it golang-env bash
go tool pprof -seconds=60 -raw -output=kubelet.pprof http://127.0.0.1:8001/api/v1/nodes/${NODENAME}/proxy/debug/pprof/profile

4、输入好的 pprof 文件不不便查看，须要转换成火焰图，举荐应用 FlameGraph 工具生成 svg 图

git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git
cd FlameGraph/
./stackcollapse-go.pl kubelet.pprof > kubelet.out
./flamegraph.pl kubelet.out > kubelet.svg

转换成火焰图后，就能够在浏览器直观地看到函数相干调用和具体调用工夫比了。

5、剖析火焰图

从 kubelet 的火焰图能够看到，调用工夫最长的函数是k8s.io/kubernetes/vendor/github.com/google/cadvisor/manager.(*containerData).housekeeping，其中 cAdvisor 是 kubelet 内置的指标采集工具，次要是负责对节点机器上的资源及容器进行实时监控和性能数据采集，包含 CPU 应用状况、内存应用状况、网络吞吐量及文件系统应用状况。

深刻函数调用能够发现k8s.io/kubernetes/vendor/github.com/opencontainers/runc/libcontainer/cgroups/fs.(Manager).GetStats 这个函数占用k8s.io/kubernetes/vendor/github.com/google/cadvisor/manager.(containerData).housekeeping 这个函数的工夫是最长的，阐明在获取容器 CGroup 相干状态时占用了较多的工夫。

6、既然这个函数占用工夫长，那么咱们就剖析一下这个函数具体干了什么。

查看源代码：
https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/ded8a1e2853aef374fc93300fe1b225f38f19d9d/vendor/github.com/opencontainers/runc/libcontainer/cgroups/fs/memory.go#L162

func (s *MemoryGroup) GetStats(path string, stats *cgroups.Stats) error {
  // Set stats from memory.stat.
  statsFile, err := os.Open(filepath.Join(path, "memory.stat"))
  if err != nil {if os.IsNotExist(err) {return nil}
    return err
  }
  defer statsFile.Close()

  sc := bufio.NewScanner(statsFile)
  for sc.Scan() {t, v, err := fscommon.GetCgroupParamKeyValue(sc.Text())
    if err != nil {return fmt.Errorf("failed to parse memory.stat (%q) - %v", sc.Text(), err)
    }
    stats.MemoryStats.Stats[t] = v
  }
  stats.MemoryStats.Cache = stats.MemoryStats.Stats["cache"]

  memoryUsage, err := getMemoryData(path, "")
  if err != nil {return err}
  stats.MemoryStats.Usage = memoryUsage
  swapUsage, err := getMemoryData(path, "memsw")
  if err != nil {return err}
  stats.MemoryStats.SwapUsage = swapUsage
  kernelUsage, err := getMemoryData(path, "kmem")
  if err != nil {return err}
  stats.MemoryStats.KernelUsage = kernelUsage
  kernelTCPUsage, err := getMemoryData(path, "kmem.tcp")
  if err != nil {return err}
  stats.MemoryStats.KernelTCPUsage = kernelTCPUsage

  useHierarchy := strings.Join([]string{"memory", "use_hierarchy"}, ".")
  value, err := fscommon.GetCgroupParamUint(path, useHierarchy)
  if err != nil {return err}
  if value == 1 {stats.MemoryStats.UseHierarchy = true}

  pagesByNUMA, err := getPageUsageByNUMA(path)
  if err != nil {return err}
  stats.MemoryStats.PageUsageByNUMA = pagesByNUMA

  return nil
}

从代码中能够看到，过程会去读取 memory.stat 这个文件，这个文件寄存了 cgroup 内存应用状况。也就是说，在读取这个文件破费了大量的工夫。这时候，如果咱们手动去查看这个文件，会是什么成果？

# time cat /sys/fs/cgroup/memory/memory.stat >/dev/null
real 0m9.065s
user 0m0.000s
sys 0m9.064s

从这里能够看出端倪了，读取这个文件破费了 9s，显然是不失常的。

基于上述后果，咱们在 cAdvisor 的 GitHub 上查找到一个 issue（https://github.com/google/cadvisor/issues/1774），从该 issue 中能够得悉，该问题跟 slab memory 缓存有肯定的关系。从该 issue 中得悉，受影响的机器的内存会逐步被应用，通过 /proc/meminfo 看到应用的内存是 slab memory，该内存是内核缓存的内存页，并且其中绝大部分都是 dentry 缓存。从这里咱们能够判断出，当 CGroup 中的过程生命周期完结后，因为缓存的起因，还存留在 slab memory 中，导致其相似僵尸 CGroup 一样无奈被开释。

也就是每当创立一个 memory CGroup，在内核内存空间中，就会为其创立调配一份内存空间，该内存蕴含以后 CGroup 相干的 cache（dentry、inode），也就是目录和文件索引的缓存，该缓存实质上是为了进步读取的效率。然而当 CGroup 中的所有过程都退出时，存在内核内存空间的缓存并没有清理掉。

内核通过搭档算法进行内存调配，每当有过程申请内存空间时，会为其调配至多一个内存页面，也就是起码会调配 4k 内存，每次开释内存，也是依照起码一个页面来进行开释。当申请调配的内存大小为几十个字节或几百个字节时，4k 对其来说是一个微小的内存空间，在 Linux 中，为了解决这个问题，引入了 slab 内存调配管理机制，用来解决这种小量的内存申请，这就会导致，当 CGroup 中的所有过程都退出时，不会轻易回收这部分的内存，而这部分内存中的缓存数据，还会被读取到 stats 中，从而导致影响读取的性能。

1、清理节点缓存，这是一个长期的解决办法，临时清空节点内存缓存，可能缓解 kubelet CPU 使用率，然而前面缓存上来了，CPU 使用率又会升上来。

echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches

2、降级内核版本

其实这个次要还是内核的问题，在 GitHub 上这个 commit(https://github.com/torvalds/linux/commit/205b20cc5a99cdf197c32f4dbee2b09c699477f0)中有提到，在 5.2+ 以上的内核版本中，优化了 CGroup stats 相干的查问性能，如果想要更好的解决该问题，倡议能够参考本人操作系统和环境，正当的降级内核版本。
另外 Redhat 在 kernel-4.18.0-176（https://bugzilla.redhat.com/show_bug.cgi?id=1795049）版本中也优化了相干 CGroup 的性能问题，而 CentOS 8/RHEL 8 默认应用的内核版本就是 4.18，如果目前您应用的操作系统是 RHEL7/CentOS7，则能够尝试逐步替换新的操作系统，应用这个 4.18.0-176 版本以上的内核，毕竟新版本内核总归是对容器相干的体验会好很多。

kernel 相干 commit：
https://github.com/torvalds/linux/commit/205b20cc5a99cdf197c32f4dbee2b09c699477f0
redhat kernel bug fix：
https://bugzilla.redhat.com/show_bug.cgi?id=1795049

正文完