Docker基礎技術：Linux CGroup

jopen 9年前發布 | 28K 次閱讀 Docker

Docker基礎技術：Linux CGroup
前面，我們介紹了Linux Namespace，但是Namespace解決的問題主要是環境隔離的問題，這只是虛擬化中最最基礎的一步，我們還需要解決對計算機資源使用上的隔離。也就是說，雖然你通過Namespace把我Jail到一個特定的環境中去了，但是我在其中的進程使用用CPU、內存、磁盤等這些計算資源其實還是可以隨心所欲的。所以，我們希望對進程進行資源利用上的限制或控制。這就是Linux CGroup出來了的原因。

Linux CGroup全稱Linux Control Group，是Linux內核的一個功能，用來限制，控制與分離一個進程組群的資源（如CPU、內存、磁盤輸入輸出等）。這個項目最早是由Google的工程師在2006年發起（主要是Paul Menage和Rohit Seth），最早的名稱為進程容器（process containers）。在2007年時，因為在Linux內核中，容器（container）這個名詞太過廣泛，為避免混亂，被重命名為cgroup，并且被合并到2.6.24版的內核中去。然后，其它開始了他的發展。

Linux CGroupCgroup 可讓您為系統中所運行任務（進程）的用戶定義組群分配資源 — 比如 CPU 時間、系統內存、網絡帶寬或者這些資源的組合。您可以監控您配置的 cgroup，拒絕 cgroup 訪問某些資源，甚至在運行的系統中動態配置您的 cgroup。

主要提供了如下功能：

Resource limitation: 限制資源使用，比如內存使用上限以及文件系統的緩存限制。

Prioritization: 優先級控制，比如：CPU利用和磁盤IO吞吐。

Accounting: 一些審計或一些統計，主要目的是為了計費。

Control: 掛起進程，恢復執行進程。

使用 cgroup，系統管理員可更具體地控制對系統資源的分配、優先順序、拒絕、管理和監控。可更好地根據任務和用戶分配硬件資源，提高總體效率。

在實踐中，系統管理員一般會利用CGroup做下面這些事（有點像為某個虛擬機分配資源似的）：

隔離一個進程集合（比如：nginx的所有進程），并限制他們所消費的資源，比如綁定CPU的核。

為這組進程分配其足夠使用的內存

為這組進程分配相應的網絡帶寬和磁盤存儲限制

限制訪問某些設備（通過設置設備的白名單）

那么CGroup是怎么干的呢？我們先來點感性認識吧。

首先，Linux把CGroup這個事實現成了一個file system，你可以mount。在我的Ubuntu 14.04下，你輸入以下命令你就可以看到cgroup已為你mount好了。

hchen@ubuntu:~$ mount -t cgroup
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,relatime,cpuset)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu type cgroup (rw,relatime,cpu)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuacct type cgroup (rw,relatime,cpuacct)
cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,relatime,memory)
cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,relatime,devices)
cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,relatime,freezer)
cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,relatime,blkio)
cgroup on /sys/fs/cgroup/net_prio type cgroup (rw,net_prio)
cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls type cgroup (rw,net_cls)
cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,relatime,perf_event)
cgroup on /sys/fs/cgroup/hugetlb type cgroup (rw,relatime,hugetlb)

或者使用lssubsys命令：

$ lssubsys  -m
cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset
cpu /sys/fs/cgroup/cpu
cpuacct /sys/fs/cgroup/cpuacct
memory /sys/fs/cgroup/memory
devices /sys/fs/cgroup/devices
freezer /sys/fs/cgroup/freezer
blkio /sys/fs/cgroup/blkio
net_cls /sys/fs/cgroup/net_cls
net_prio /sys/fs/cgroup/net_prio
perf_event /sys/fs/cgroup/perf_event
hugetlb /sys/fs/cgroup/hugetlb

我們可以看到，在/sys/fs下有一個cgroup的目錄，這個目錄下還有很多子目錄，比如： cpu，cpuset，memory，blkio……這些，這些都是cgroup的子系統。分別用于干不同的事的。

如果你沒有看到上述的目錄，你可以自己mount，下面給了一個示例：

mkdir cgroup
mount -t tmpfs cgroup_root ./cgroup
mkdir cgroup/cpuset
mount -t cgroup -ocpuset cpuset ./cgroup/cpuset/
mkdir cgroup/cpu
mount -t cgroup -ocpu cpu ./cgroup/cpu/
mkdir cgroup/memory
mount -t cgroup -omemory memory ./cgroup/memory/

一旦mount成功，你就會看到這些目錄下就有好文件了，比如，如下所示的cpu和cpuset的子系統：

hchen@ubuntu:~$ ls /sys/fs/cgroup/cpu /sys/fs/cgroup/cpuset/ /sys/fs/cgroup/cpu: cgroup.clone_children cgroup.sane_behavior cpu.shares release_agent cgroup.event_control cpu.cfs_period_us cpu.stat tasks cgroup.procs cpu.cfs_quota_us notify_on_release user

/sys/fs/cgroup/cpuset/: cgroup.clone_children cpuset.mem_hardwall cpuset.sched_load_balance cgroup.event_control cpuset.memory_migrate cpuset.sched_relax_domain_level cgroup.procs cpuset.memory_pressure notify_on_release cgroup.sane_behavior cpuset.memory_pressure_enabled release_agent cpuset.cpu_exclusive cpuset.memory_spread_page tasks cpuset.cpus cpuset.memory_spread_slab user cpuset.mem_exclusive cpuset.mems</pre>

你可以到/sys/fs/cgroup的各個子目錄下去make個dir，你會發現，一旦你創建了一個子目錄，這個子目錄里又有很多文件了。

hchen@ubuntu:/sys/fs/cgroup/cpu$ sudo mkdir haoel
[sudo] password for hchen: 
hchen@ubuntu:/sys/fs/cgroup/cpu$ ls ./haoel
cgroup.clone_children  cgroup.procs       cpu.cfs_quota_us  cpu.stat           tasks
cgroup.event_control   cpu.cfs_period_us  cpu.shares        notify_on_release

好了，我們來看幾個示例。

CPU 限制

假設，我們有一個非常吃CPU的程序，叫deadloop，其源碼如下：

int main(void)
{
    int i = 0;
    for(;;) i++;
    return 0;
}

用sudo執行起來后，毫無疑問，CPU被干到了100%（下面是top命令的輸出）

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND     
 3529 root      20   0    4196    736    656 R 99.6  0.1   0:23.13 deadloop

然后，我們這前不是在/sys/fs/cgroup/cpu下創建了一個haoel的group。我們先設置一下這個group的cpu利用的限制：

hchen@ubuntu:~# cat /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/cpu.cfs_quota_us 
-1
root@ubuntu:~# echo 20000 > /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/cpu.cfs_quota_us

我們看到，這個進程的PID是3529，我們把這個進程加到這個cgroup中：

# echo 3529 >> /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/tasks

然后，就會在top中看到CPU的利用立馬下降成20%了。（前面我們設置的20000就是20%的意思）

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND     
 3529 root      20   0    4196    736    656 R 19.9  0.1   8:06.11 deadloop

下面的代碼是一個線程的示例：

#define _GNU_SOURCE         / See feature_test_macros(7) /
include <pthread.h>
include <stdio.h>
include <stdlib.h>
include <sys/stat.h>
include <sys/types.h>
include <unistd.h>
include <sys/syscall.h>
const int NUM_THREADS = 5;
void thread_main(void threadid)
{
    / 把自己加入cgroup中（syscall(SYS_gettid)為得到線程的系統tid） /
    char cmd[128];
    sprintf(cmd, "echo %ld >> /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/tasks", syscall(SYS_gettid));
    system(cmd); 
    sprintf(cmd, "echo %ld >> /sys/fs/cgroup/cpuset/haoel/tasks", syscall(SYS_gettid));
    system(cmd);

long tid;
tid = (long)threadid;
printf("Hello World! It's me, thread #%ld, pid #%ld!\n", tid, syscall(SYS_gettid));

int a=0; 
while(1) {
    a++;
}
pthread_exit(NULL);

}
int main (int argc, char *argv[])
{
    int num_threads;
    if (argc > 1){
        num_threads = atoi(argv[1]);
    }
    if (num_threads<=0 || num_threads>=100){
        num_threads = NUM_THREADS;
    }

/* 設置CPU利用率為50% */
mkdir("/sys/fs/cgroup/cpu/haoel", 755);
system("echo 50000 > /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/cpu.cfs_quota_us");

mkdir("/sys/fs/cgroup/cpuset/haoel", 755);
/* 限制CPU只能使用#2核和#3核 */
system("echo \"2,3\" > /sys/fs/cgroup/cpuset/haoel/cpuset.cpus");

pthread_t* threads = (pthread_t*) malloc (sizeof(pthread_t)*num_threads);
int rc;
long t;
for(t=0; t<num_threads; t++){
    printf("In main: creating thread %ld\n", t);
    rc = pthread_create(&threads[t], NULL, thread_main, (void *)t);
    if (rc){
        printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc);
        exit(-1);
    }
}

/* Last thing that main() should do */
pthread_exit(NULL);
free(threads);

}</pre> 
內存使用限制 

我們再來看一個限制內存的例子（下面的代碼是個死循環，其它不斷的分配內存，每次512個字節，每次休息一秒）： 

#include <stdio.h>
include <stdlib.h>
include <string.h>
include <sys/types.h>
include <unistd.h>
int main(void)
{
    int size = 0;
    int chunk_size = 512;
    void *p = NULL;

while(1) {

    if ((p = malloc(p, chunk_size)) == NULL) {
        printf("out of memory!!\n");
        break;
    }
    memset(p, 1, chunk_size);
    size += chunk_size;
    printf("[%d] - memory is allocated [%8d] bytes \n", getpid(), size);
    sleep(1);
}
return 0;

}</pre> 
然后，在我們另外一邊： 

# 創建memory cgroup
$ mkdir /sys/fs/cgroup/memory/haoel
$ echo 64k > /sys/fs/cgroup/memory/haoel/memory.limit_in_bytes
把上面的進程的pid加入這個cgroup
$ echo [pid] > /sys/fs/cgroup/memory/haoel/tasks </pre> 
你會看到，一會上面的進程就會因為內存問題被kill掉了。 

磁盤I/O限制 

我們先看一下我們的硬盤IO，我們的模擬命令如下：（從/dev/sda1上讀入數據，輸出到/dev/null上） 

sudo dd if=/dev/sda1 of=/dev/null
 我們通過iotop命令我們可以看到相關的IO速度是55MB/s（虛擬機內）： 

  TID  PRIO  USER     DISK READ  DISK WRITE  SWAPIN     IO>    COMMAND          
 8128 be/4 root       55.74 M/s    0.00 B/s  0.00 % 85.65 % dd if=/de~=/dev/null...
 然后，我們先創建一個blkio（塊設備IO）的cgroup 

mkdir /sys/fs/cgroup/blkio/haoel
 并把讀IO限制到1MB/s，并把前面那個dd命令的pid放進去（注：8:0 是設備號，你可以通過ls -l /dev/sda1獲得）： 

root@ubuntu:~# echo '8:0 1048576'  > /sys/fs/cgroup/blkio/haoel/blkio.throttle.read_bps_device 
root@ubuntu:~# echo 8128 > /sys/fs/cgroup/blkio/haoel/tasks
 再用iotop命令，你馬上就能看到讀速度被限制到了1MB/s左右。 

  TID  PRIO  USER     DISK READ  DISK WRITE  SWAPIN     IO>    COMMAND          
 8128 be/4 root      973.20 K/s    0.00 B/s  0.00 % 94.41 % dd if=/de~=/dev/null...
 CGroup的子系統 

好了，有了以上的感性認識我們來，我們來看看control group有哪些子系統： 


blkio — 這個子系統為塊設備設定輸入/輸出限制，比如物理設備（磁盤，固態硬盤，USB 等等）。 

cpu — 這個子系統使用調度程序提供對 CPU 的 cgroup 任務訪問。 

cpuacct — 這個子系統自動生成 cgroup 中任務所使用的 CPU 報告。 

cpuset — 這個子系統為 cgroup 中的任務分配獨立 CPU（在多核系統）和內存節點。 

devices — 這個子系統可允許或者拒絕 cgroup 中的任務訪問設備。 

freezer — 這個子系統掛起或者恢復 cgroup 中的任務。 

memory — 這個子系統設定 cgroup 中任務使用的內存限制，并自動生成內存資源使用報告。 

net_cls — 這個子系統使用等級識別符（classid）標記網絡數據包，可允許 Linux 流量控制程序（tc）識別從具體 cgroup 中生成的數據包。 

net_prio — 這個子系統用來設計網絡流量的優先級 

hugetlb — 這個子系統主要針對于HugeTLB系統進行限制，這是一個大頁文件系統。 




</ul>
注意，你可能在Ubuntu 14.04下看不到net_cls和net_prio這兩個cgroup，你需要手動mount一下： 

$ sudo modprobe cls_cgroup
$ sudo mkdir /sys/fs/cgroup/net_cls
$ sudo mount -t cgroup -o net_cls none /sys/fs/cgroup/net_cls
$ sudo modprobe netprio_cgroup
$ sudo mkdir /sys/fs/cgroup/net_prio
$ sudo mount -t cgroup -o net_prio none /sys/fs/cgroup/net_prio</pre> 
關于各個子系統的參數細節，以及更多的Linux CGroup的文檔，你可以看看下面的文檔： 


Linux Kernel的官方文檔 

Redhat的官方文檔 
</ul>
CGroup的術語 

CGroup有下述術語： 


任務（Tasks）：就是系統的一個進程。 

控制組（Control Group）：一組按照某種標準劃分的進程，比如官方文檔中的Professor和Student，或是WWW和System之類的，其表示了某進程組。Cgroups中的資源控制都是以控制組為單位實現。一個進程可以加入到某個控制組。而資源的限制是定義在這個組上，就像上面示例中我用的haoel一樣。簡單點說，cgroup的呈現就是一個目錄帶一系列的可配置文件。 

層級（Hierarchy）：控制組可以組織成hierarchical的形式，既一顆控制組的樹（目錄結構）。控制組樹上的子節點繼承父結點的屬性。簡單點說，hierarchy就是在一個或多個子系統上的cgroups目錄樹。 

子系統（Subsystem）：一個子系統就是一個資源控制器，比如CPU子系統就是控制CPU時間分配的一個控制器。子系統必須附加到一個層級上才能起作用，一個子系統附加到某個層級以后，這個層級上的所有控制族群都受到這個子系統的控制。Cgroup的子系統可以有很多，也在不斷增加中。 
</ul>
下一代的CGroup 

上面，我們可以看到，CGroup的一些常用方法和相關的術語。一般來說，這樣的設計在一般情況下還是沒什么問題的，除了操作上的用戶體驗不是很好，但基本滿足我們的一般需求了。 

不過，對此，有個叫Tejun Heo的同學非常不爽，他在Linux社區里對cgroup吐了一把槽，還引發了內核組的各種討論。 

對于Tejun Heo同學來說，cgroup設計的相當糟糕。他給出了些例子，大意就是說，如果有多種層級關系，也就是說有多種對進程的分類方式，比如，我們可以按用戶來分，分成Professor和Student，同時，也有按應用類似來分的，比如WWW和NFS等。那么，當一個進程即是Professor的，也是WWW的，那么就會出現多層級正交的情況，從而出現對進程上管理的混亂。另外，一個case是，如果有一個層級A綁定cpu，而層級B綁定memory，還有一個層級C綁定cputset，而有一些進程有的需要AB，有的需要AC，有的需要ABC，管理起來就相當不易。 

層級操作起來比較麻煩，而且如果層級變多，更不易于操作和管理，雖然那種方式很好實現，但是在使用上有很多的復雜度。你可以想像一個圖書館的圖書分類問題，你可以有各種不同的分類，分類和圖書就是一種多對多的關系。 

所以，在Kernel 3.16后，引入了unified hierarchy的新的設計，這個東西引入了一個叫__DEVEL__sane_behavior的特性（這個名字很明顯意味目前還在開發試驗階段），它可以把所有子系統都掛載到根層級下，只有葉子節點可以存在tasks，非葉子節點只進行資源控制。 

我們mount一下看看： 

$ sudo mount -t cgroup -o DEVELsane_behavior cgroup ./cgroup
$ ls ./cgroup
cgroup.controllers  cgroup.procs  cgroup.sane_behavior  cgroup.subtree_control
$ cat ./cgroup/cgroup.controllers
cpuset cpu cpuacct memory devices freezer net_cls blkio perf_event net_prio hugetlb</pre> 
我們可以看到有四個文件，然后，你在這里mkdir一個子目錄，里面也會有這四個文件。上級的cgroup.subtree_control控制下級的cgroup.controllers。 

舉個例子：假設我們有以下的目錄結構，b代表blkio，m代碼memory，其中，A是root，包括所有的子系統（）。 

# A(b,m) - B(b,m) - C (b)
\ - D (b) - E
下面的命令中， +表示enable， -表示disable
在B上的enable blkio
echo +blkio > A/cgroup.subtree_control
在C和D上enable blkio
echo +blkio > A/B/cgroup.subtree_control
在B上enable memory
echo +memory > A/cgroup.subtree_control</pre> 在上述的結構中， 

cgroup只有上線控制下級，無法傳遞到下下級。所以，C和D中沒有memory的限制，E中沒有blkio和memory的限制。而本層的cgroup.controllers文件是個只讀的，其中的內容就看上級的subtree_control里有什么了。 

任何被配置過subtree_control的目錄都不能綁定進程，根結點除外。所以，A,C,D,E可以綁上進程，但是B不行。 
</ul>
我們可以看到，這種方式干凈的區分開了兩個事，一個是進程的分組，一個是對分組的資源控制（以前這兩個事完全混在一起），在目錄繼承上增加了些限制，這樣可以避免一些模棱兩可的情況。 

當然，這個事還在演化中，cgroup的這些問題這個事目前由cgroup的吐槽人Tejun Heo和華為的Li Zefan同學負責解決中。總之，這是一個系統管理上的問題，而且改變會影響很多東西，但一旦方案確定，老的cgroup方式將一去不復返。 

參考 


Linux Kernel Cgroup Documents 

Reahat Resource Management Guide 

Fixing control groups 

The unified control group hierarchy in 3.16 

Cgroup v2(PDF) 
</ul>
（全文完） 


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Docker

Docker基礎技術：Linux CGroup

CPU 限制

include <pthread.h>

include <stdio.h>

include <stdlib.h>

include <sys/stat.h>

include <sys/types.h>

include <unistd.h>

include <sys/syscall.h>

內存使用限制

include <stdlib.h>

include <string.h>

include <sys/types.h>

include <unistd.h>

把上面的進程的pid加入這個cgroup

磁盤I/O限制

CGroup的子系統

CGroup的術語

下一代的CGroup

\ - D (b) - E

下面的命令中， +表示enable， -表示disable

在B上的enable blkio

echo +blkio > A/cgroup.subtree_control

在C和D上enable blkio

echo +blkio > A/B/cgroup.subtree_control

在B上enable memory

echo +memory > A/cgroup.subtree_control</pre>
在上述的結構中，

參考

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