《自己动手写Docker》书摘之二---Linux Cgroups介绍
2016-11-28 17:33
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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:
cgroupcgroup 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。
“`shell
/ lssubsys -a
cpusetcpu,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
“`
小结
本节我们主要介绍了Linux Cgroups,通过Linux Cgroups的三种结构,可以随意的定制对资源的限制和做资源的监控,最后用GO语言做了一个Cgroups的限制资源的demo,介绍了怎么样用GO语言去操控容器的Cgroups而限制容器的资源。相关图书推荐<<自己动手写 docker>>
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