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， 並且被合並到2.6.24版的內核中去。然後，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），並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）

那麼CGroup是怎麼干的呢？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。分別用於干不同的事的。

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

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，這個子目錄裡又有很多文件了。

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執行起來後，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   

然後，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

然後，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);
}

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;
}

然後，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 

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...

然後，我們先創建一個blkio（塊設備IO）的cgroup

mkdir /sys/fs/cgroup/blkio/haoel

並把讀IO限制到1MB/s，並把前面那個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​​​，並​​​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於HugeTLB系統進行限制，這是一個大頁文件系統。

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

關於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

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）：一組按照某種標准劃分的進程，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後，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。

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麼問題的，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社區裡對cgroup吐了一把槽，還引發了內核組的各種討論。

對於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。那麼，當一個進程即是Professor的，也是 WWW的，那麼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，更不易於操作和管理，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後，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 __DEVEL__sane_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

我們可以看到有四個文件，然後，你在這裡mkdir一個子目錄，裡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

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裡有什麼了。
• 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。

我們可以看到，這種方式干淨的區分開了兩個事，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稜兩可的情況。

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。

原文：http://coolshell.cn/articles/17049.html