Docker之Linux Cgroups

Linux Cgroups介绍

上面是构建Linux容器的namespace技术，它帮进程隔离出自己单独的空间，但Docker又是怎么限制每个空间的大小，保证他们不会互相争抢呢？那么就要用到Linux的Cgroups技术。

概念

Linux Cgroups(Control Groups) 提供了对一组进程及将来的子进程的资源的限制，控制和统计的能力，这些资源包括CPU，内存，存储，网络等。通过Cgroups，可以方便的限制某个进程的资源占用，并且可以实时的监控进程的监控和统计信息。

Cgroups中的三个组件：

• cgroup
  cgroup 是对进程分组管理的一种机制，一个cgroup包含一组进程，并可以在这个cgroup上增加Linux subsystem的各种参数的配置，将一组进程和一组subsystem的系统参数关联起来。

• subsystem
  subsystem 是一组资源控制的模块，一般包含有：

  • blkio 设置对块设备（比如硬盘）的输入输出的访问控制
  • cpu 设置cgroup中的进程的CPU被调度的策略
  • cpuacct 可以统计cgroup中的进程的CPU占用
  • cpuset 在多核机器上设置cgroup中的进程可以使用的CPU和内存（此处内存仅使用于NUMA架构）
  • devices 控制cgroup中进程对设备的访问
  • freezer 用于挂起(suspends)和恢复(resumes) cgroup中的进程
  • memory 用于控制cgroup中进程的内存占用
  • net_cls 用于将cgroup中进程产生的网络包分类(classify)，以便Linux的tc(traffic controller) 可以根据分类(classid)区分出来自某个cgroup的包并做限流或监控。
  • net_prio 设置cgroup中进程产生的网络流量的优先级
  • ns 这个subsystem比较特殊，它的作用是cgroup中进程在新的namespace fork新进程(NEWNS)时，创建出一个新的cgroup，这个cgroup包含新的namespace中进程。

  每个subsystem会关联到定义了相应限制的cgroup上，并对这个cgroup中的进程做相应的限制和控制，这些subsystem是逐步合并到内核中的，如何看到当前的内核支持哪些subsystem呢？可以安装cgroup的命令行工具(apt-get install cgroup-bin)，然后通过lssubsys看到kernel支持的subsystem。

  # / lssubsys -a
  cpuset
  cpu,cpuacct
  blkio
  memory
  devices
  freezer
  net_cls,net_prio
  perf_event
  hugetlb
  pids

• hierarchy
  hierarchy 的功能是把一组cgroup串成一个树状的结构，一个这样的树便是一个hierarchy，通过这种树状的结构，Cgroups可以做到继承。比如我的系统对一组定时的任务进程通过cgroup1限制了CPU的使用率，然后其中有一个定时dump日志的进程还需要限制磁盘IO，为了避免限制了影响到其他进程，就可以创建cgroup2继承于cgroup1并限制磁盘的IO，这样cgroup2便继承了cgroup1中的CPU的限制，并且又增加了磁盘IO的限制而不影响到cgroup1中的其他进程。

三个组件相互的关系：

通过上面的组件的描述我们就不难看出，Cgroups的是靠这三个组件的相互协作实现的，那么这三个组件是什么关系呢？

• 系统在创建新的hierarchy之后，系统中所有的进程都会加入到这个hierarchy的根cgroup节点中，这个cgroup根节点是hierarchy默认创建，后面在这个hierarchy中创建cgroup都是这个根cgroup节点的子节点。
• 一个subsystem只能附加到一个hierarchy上面
• 一个hierarchy可以附加多个subsystem
• 一个进程可以作为多个cgroup的成员，但是这些cgroup必须是在不同的hierarchy中
• 一个进程fork出子进程的时候，子进程是和父进程在同一个cgroup中的，也可以根据需要将其移动到其他的cgroup中。

这几句话现在不理解暂时没关系，后面我们实际使用过程中会逐渐的了解到他们之间的联系的。

kernel接口：

上面介绍了那么多的Cgroups的结构，那到底要怎么调用kernel才能配置Cgroups呢？上面了解到Cgroups中的hierarchy是一种树状的组织结构，Kernel为了让对Cgroups的配置更直观，Cgroups通过一个虚拟的树状文件系统去做配置的，通过层级的目录虚拟出cgroup树，下面我们就以一个配置的例子来了解下如何操作Cgroups。

• 首先，我们要创建并挂载一个hierarchy(cgroup树)：

   ~ mkdir cgroup-test # 创建一个hierarchy挂载点
   ~ sudo mount -t cgroup -o none,name=cgroup-test cgroup-test ./cgroup-test # 挂载一个hierarchy
   ~ ls ./cgroup-test # 挂载后我们就可以看到系统在这个目录下生成了一些默认文件
  cgroup.clone_children  cgroup.procs  cgroup.sane_behavior  notify_on_release  release_agent  tasks

  这些文件就是这个hierarchy中根节点cgroup配置项了，上面这些文件分别的意思是：

  • cgroup.clone_children cpuset的subsystem会读取这个配置文件，如果这个的值是1(默认是0)，子cgroup才会继承父cgroup的cpuset的配置。
  • cgroup.procs是树中当前节点的cgroup中的进程组ID，现在我们在根节点，这个文件中是会有现在系统中所有进程组ID。
  • notify_on_release和release_agent会一起使用，notify_on_release表示当这个cgroup最后一个进程退出的时候是否执行release_agent，release_agent则是一个路径，通常用作进程退出之后自动清理掉不再使用的cgroup。
  • tasks也是表示该cgroup下面的进程ID，如果把一个进程ID写到tasks文件中，便会将这个进程加入到这个cgroup中。

• 然后，我们创建在刚才创建的hierarchy的根cgroup中扩展出两个子cgroup:

   cgroup-test sudo mkdir cgroup-1 # 创建子cgroup "cgroup-1"
   cgroup-test sudo mkdir cgroup-2 # 创建子cgroup "cgroup-1"
   cgroup-test tree
  .
  |-- cgroup-1
  |   |-- cgroup.clone_children
  |   |-- cgroup.procs
  |   |-- notify_on_release
  |   `-- tasks
  |-- cgroup-2
  |   |-- cgroup.clone_children
  |   |-- cgroup.procs
  |   |-- notify_on_release
  |   `-- tasks
  |-- cgroup.clone_children
  |-- cgroup.procs
  |-- cgroup.sane_behavior
  |-- notify_on_release
  |-- release_agent
  `-- tasks

  可以看到在一个cgroup的目录下创建文件夹，kernel就会把文件夹标记会这个cgroup的子cgroup，他们会继承父cgroup的属性。

• 在cgroup中添加和移动进程：
  一个进程在一个Cgroups的hierarchy中只能存在在一个cgroup节点上，系统的所有进程默认都会在根节点，可以将进程在cgroup节点间移动，只需要将进程ID写到移动到的cgroup节点的tasks文件中。

   cgroup-1 echo $$
  7475
   cgroup-1 sudo sh -c "echo $$ >> tasks" # 将我所在的终端的进程移动到cgroup-1中
   cgroup-1 cat /proc/7475/cgroup
  13:name=cgroup-test:/cgroup-1
  11:perf_event:/
  10:cpu,cpuacct:/user.slice
  9:freezer:/
  8:blkio:/user.slice
  7:devices:/user.slice
  6:cpuset:/
  5:hugetlb:/
  4:pids:/user.slice/user-1000.slice
  3:memory:/user.slice
  2:net_cls,net_prio:/
  1:name=systemd:/user.slice/user-1000.slice/session-19.scope

  可以看到我们当前的7475进程已经被加到了cgroup-test:/cgroup-1中。

• 通过subsystem限制cgroup中进程的资源
  上面我们创建hierarchy的时候，但这个hierarchy并没有关联到任何subsystem，所以没办法通过那个hierarchy中的cgroup限制进程的资源占用，其实系统默认就已经把每个subsystem创建了一个默认的hierarchy，比如memory的hierarchy:

    ~ mount | grep memory
  cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory,nsroot=/)

  可以看到，在/sys/fs/cgroup/memory目录便是挂在了memory subsystem的hierarchy。下面我们就通过在这个hierarchy中创建cgroup，限制下占用的进程占用的内存：

   memory stress --vm-bytes 200m --vm-keep -m 1 # 首先，我们不做限制启动一个占用内存的stress进程
   memory sudo mkdir test-limit-memory && cd test-limit-memory # 创建一个cgroup
   test-limit-memory sudo sh -c "echo "100m" > memory.limit_in_bytes" sudo sh -c "echo "100m" > memory.limit_in_bytes" # 设置最大cgroup最大内存占用为100m
   test-limit-memory sudo sh -c "echo $$ > tasks" # 将当前进程移动到这个cgroup中
   test-limit-memory stress --vm-bytes 200m --vm-keep -m 1 # 再次运行占用内存200m的的stress进程

  运行结果如下(通过top监控)：

  PID  PPID     TIME+ %CPU %MEM  PR  NI S    VIRT    RES   UID COMMAND
  8336  8335   0:08.23 99.0 10.0  20   0 R  212284 205060  1000 stress
  8335  7475   0:00.00  0.0  0.0  20   0 S    7480    876  1000 stress
  
  PID  PPID     TIME+ %CPU %MEM  PR  NI S    VIRT    RES   UID COMMAND
  8310  8309   0:01.17  7.6  5.0  20   0 R  212284 102056  1000 stress
  8309  7475   0:00.00  0.0  0.0  20   0 S    7480    796  1000 stress

  可以看到通过cgroup，我们成功的将stress进程的最大内存占用限制到了100m。

  Docker是如何使用Cgroups的：

  我们知道Docker是通过Cgroups去做的容器的资源限制和监控，我们下面就以一个实际的容器实例来看下Docker是如何配置Cgroups的：

   ~ # docker run -m 设置内存限制
   ~ sudo docker run -itd -m  128m ubuntu
  957459145e9092618837cf94a1cb356e206f2f0da560b40cb31035e442d3df11
   ~ # docker会为每个容器在系统的hierarchy中创建cgroup
   ~ cd /sys/fs/cgroup/memory/docker/957459145e9092618837cf94a1cb356e206f2f0da560b40cb31035e442d3df11
   957459145e9092618837cf94a1cb356e206f2f0da560b40cb31035e442d3df11 # 查看cgroup的内存限制
   957459145e9092618837cf94a1cb356e206f2f0da560b40cb31035e442d3df11 cat memory.limit_in_bytes
  134217728
   957459145e9092618837cf94a1cb356e206f2f0da560b40cb31035e442d3df11 # 查看cgroup中进程所使用的内存大小
   957459145e9092618837cf94a1cb356e206f2f0da560b40cb31035e442d3df11 cat memory.usage_in_bytes
  430080

  可以看到Docker通过为每个容器创建Cgroup并通过Cgroup去配置的资源限制和资源监控。

用go语言实现通过cgroup限制容器的资源

下面我们在上一节的容器的基础上加上cgroup的限制，下面这个demo实现了限制容器的内存的功能：

package main

import (
    "os/exec"
    "path"
    "os"
    "fmt"
    "io/ioutil"
    "syscall"
    "strconv"
)

const cgroupMemoryHierarchyMount = "/sys/fs/cgroup/memory"

func main() {
    if os.Args[0] == "/proc/self/exe" {
        //容器进程
        fmt.Printf("current pid %d", syscall.Getpid())
        fmt.Println()
        cmd := exec.Command("sh", "-c", `stress --vm-bytes 200m --vm-keep -m 1`)
        cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{
        }
        cmd.Stdin = os.Stdin
        cmd.Stdout = os.Stdout
        cmd.Stderr = os.Stderr

        if err := cmd.Run(); err != nil {
            fmt.Println(err)
            os.Exit(1)
        }
    }

    cmd := exec.Command("/proc/self/exe")
    cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{
        Cloneflags: syscall.CLONE_NEWUTS | syscall.CLONE_NEWPID | syscall.CLONE_NEWNS,
    }
    cmd.Stdin = os.Stdin
    cmd.Stdout = os.Stdout
    cmd.Stderr = os.Stderr

    if err := cmd.Start(); err != nil {
        fmt.Println("ERROR", err)
        os.Exit(1)
    } else {
        //得到fork出来进程映射在外部命名空间的pid
        fmt.Printf("%v", cmd.Process.Pid)

        // 在系统默认创建挂载了memory subsystem的Hierarchy上创建cgroup
        os.Mkdir(path.Join(cgroupMemoryHierarchyMount, "testmemorylimit"), 0755)
        // 将容器进程加入到这个cgroup中
        ioutil.WriteFile(path.Join(cgroupMemoryHierarchyMount, "testmemorylimit", "tasks") , []byte(strconv.Itoa(cmd.Process.Pid)), 0644)
        // 限制cgroup进程使用
        ioutil.WriteFile(path.Join(cgroupMemoryHierarchyMount, "testmemorylimit", "memory.limit_in_bytes") , []byte("100m"), 0644)
    }
    cmd.Process.Wait()
}

通过对Cgroups虚拟文件系统的配置，我们让容器中的把stress进程的内存占用限制到了100m。

 PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
10861 root      20   0  212284 102464    212 R  6.2  5.0   0:01.13 stress