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Docker与Linux Cgroups

清冷的蓝天天 2021-09-24 阅读 72
PaaS

概述

Linux namespace 帮助进程隔离出自己单独的空间，Cgroups技术用来限制每个空间的大小。
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
  • subsystem
  1. blkio 设置对块设备（比如硬盘）的输入输出的访问控制
  2. cpu 设置cgroup中的进程的CPU被调度的策略
  3. cpuacct 可以统计cgroup中的进程的CPU占用
  4. cpuset 在多核机器上设置cgroup中的进程可以使用的CPU和内存（此5.处内存仅使用于NUMA架构）
  5. devices 控制cgroup中进程对设备的访问
  6. freezer 用于挂起(suspends)和恢复(resumes) cgroup中的进程
  7. memory 用于控制cgroup中进程的内存占用
  8. 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。
  9. net_prio 设置cgroup中进程产生的网络流量的优先级
  10. 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。
ubuntu@VM-0-10-ubuntu:~$apt-get install cgroup-bin
ubuntu@VM-0-10-ubuntu:~$ lssubsys -a
cpuset
cpu
cpuacct
memory
devices
freezer
blkio
perf_event
hugetlb
  • hierarchy

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？

  1. 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。
  2. 一个subsystem只能附加到一个hierarchy上面
  3. 一个hierarchy可以附加多个subsystem
  4. 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
  5. 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。

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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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:
cd cgroup-test
sudo mkdir cgroup-1 # 创建子cgroup "cgroup-1"
sudo mkdir cgroup-2 # 创建子cgroup "cgroup-1"
sudo apt-get install tree
tree
.
|-- cgroup-1
|   |-- cgroup.clone_children
|   |-- cgroup.event_control
|   |-- cgroup.procs
|   |-- notify_on_release
|   `-- tasks
|-- cgroup-2
|   |-- cgroup.clone_children
|   |-- cgroup.event_control
|   |-- cgroup.procs
|   |-- notify_on_release
|   `-- tasks
|-- cgroup.clone_children
|-- cgroup.event_control
|-- cgroup.procs
|-- cgroup.sane_behavior
|-- notify_on_release
|-- release_agent
`-- tasks

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。

echo $$
22723
cd cgroup-1
echo $$
22723
sudo sh -c "echo $$ >> tasks" # 将我所在的终端的进程移动到cgroup-1中
cat /proc/22723/cgroup
12:name=cgroup-test:/cgroup-1
11:hugetlb:/
10:perf_event:/
9:blkio:/
8:freezer:/
7:devices:/
6:memory:/
5:cpuacct:/
4:cpu:/
3:cpuset:/
2:name=systemd:/user/500.user/9.session

可以看到当前的22723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)

一般情况下，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：

sudo apt-get install stress
cd /sys/fs/cgroup/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
stress: info: [28973] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 1 vm, 0 hdd
sudo mkdir test-limit-memory && cd test-limit-memory # 创建一个cgroup
sudo sh -c "echo "100m" > memory.limit_in_bytes" # 设置最大cgroup最大内存占用为100m
sudo sh -c "echo $$ > tasks" # 将当前进程移动到这个cgroup中
stress --vm-bytes 200m --vm-keep -m 1 # 再次运行占用内存200m的的stress进程

通过 cgroup ，将 stress 进程的最大内存占用限制到了 100MB.

  • 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 -itd -m  128m ubuntu
3c05ebe60fc3dd27fdf35e150f6a410bfb66784b4f3565d2b32ce256383a6bc6
cd /sys/fs/cgroup/memory/docker/3c05ebe60fc3dd27fdf35e150f6a410bfb66784b4f3565d2b32ce256383a6bc6
cat memory.usage_in_bytes 
667648

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

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
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