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Cgroups是什么？

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cgroups(Control Groups) 是 linux 內(nèi)核提供的一種機(jī)制，這種機(jī)制可以根據(jù)需求把一系列系統(tǒng)任務(wù)及其子任務(wù)整合(或分隔)到按資源劃分等級的不同組內(nèi)，從而為系統(tǒng)資源管理提供一個(gè)統(tǒng)一的框架。簡單說，cgroups 可以限制、記錄任務(wù)組所使用的物理資源。本質(zhì)上來說，cgroups 是內(nèi)核附加在程序上的一系列鉤子(hook)，通過程序運(yùn)行時(shí)對資源的調(diào)度觸發(fā)相應(yīng)的鉤子以達(dá)到資源追蹤和限制的目的。

本文以 Ubuntu 16.04 系統(tǒng)為例介紹 cgroups，所有的 demo 均在該系統(tǒng)中演示。

為什么要了解 cgroups

在以容器技術(shù)為代表的虛擬化技術(shù)大行其道的時(shí)代了解 cgroups 技術(shù)是非常必要的！比如我們可以很方便的限制某個(gè)容器可以使用的 CPU、內(nèi)存等資源，這究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？通過了解 cgroups 技術(shù)，我們可以窺探到 linux 系統(tǒng)中整個(gè)資源限制系統(tǒng)的脈絡(luò)。從而幫助我們更好的理解和使用 linux 系統(tǒng)。

cgroups 的主要作用

實(shí)現(xiàn) cgroups 的主要目的是為不同用戶層面的資源管理提供一個(gè)統(tǒng)一化的接口。從單個(gè)任務(wù)的資源控制到操作系統(tǒng)層面的虛擬化，cgroups 提供了四大功能：

資源限制：cgroups 可以對任務(wù)是要的資源總額進(jìn)行限制。 比如設(shè)定任務(wù)運(yùn)行時(shí)使用的內(nèi)存上限，一旦超出就發(fā) OOM。 優(yōu)先級分配：通過分配的 CPU 時(shí)間片數(shù)量和磁盤 IO 帶寬，實(shí)際上就等同于控制了任務(wù)運(yùn)行的優(yōu)先級。 資源統(tǒng)計(jì)：cgoups 可以統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的資源使用量，比如 CPU 使用時(shí)長、內(nèi)存用量等。這個(gè)功能非常適合當(dāng)前云端產(chǎn)品按使用量計(jì)費(fèi)的方式。 任務(wù)控制：cgroups 可以對任務(wù)執(zhí)行掛起、恢復(fù)等操作。

相關(guān)概念

Task(任務(wù)) 在 linux 系統(tǒng)中，內(nèi)核本身的調(diào)度和管理并不對進(jìn)程和線程進(jìn)行區(qū)分，只是根據(jù) clone 時(shí)傳入的參數(shù)的不同來從概念上區(qū)分進(jìn)程和線程。這里使用 task 來表示系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)程或線程。

Cgroup(控制組) cgroups 中的資源控制以 cgroup 為單位實(shí)現(xiàn)。Cgroup 表示按某種資源控制標(biāo)準(zhǔn)劃分而成的任務(wù)組，包含一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)。一個(gè)任務(wù)可以加入某個(gè) cgroup，也可以從某個(gè) cgroup 遷移到另一個(gè) cgroup。

Subsystem(子系統(tǒng)) cgroups 中的子系統(tǒng)就是一個(gè)資源調(diào)度控制器(又叫 controllers)。比如 CPU 子系統(tǒng)可以控制 CPU 的時(shí)間分配，內(nèi)存子系統(tǒng)可以限制內(nèi)存的使用量。以筆者使用的 Ubuntu 16.04.3 為例，其內(nèi)核版本為 4.10.0，支持的 subsystem 如下( cat /proc/cgroups)：
blkio 對塊設(shè)備的 IO 進(jìn)行限制。
cpu 限制 CPU 時(shí)間片的分配，與 cpuacct 掛載在同一目錄。
cpuacct 生成 cgroup 中的任務(wù)占用 CPU 資源的報(bào)告，與 cpu 掛載在同一目錄。
cpuset 給 cgroup 中的任務(wù)分配獨(dú)立的 CPU(多處理器系統(tǒng)) 和內(nèi)存節(jié)點(diǎn)。
devices 允許或禁止 cgroup 中的任務(wù)訪問設(shè)備。
freezer 暫停/恢復(fù) cgroup 中的任務(wù)。
hugetlb 限制使用的內(nèi)存頁數(shù)量。
memory 對 cgroup 中的任務(wù)的可用內(nèi)存進(jìn)行限制，并自動生成資源占用報(bào)告。
net_cls 使用等級識別符（classid）標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，這讓 Linux 流量控制器（tc 指令）可以識別來自特定 cgroup 任務(wù)的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)限制。
net_prio 允許基于 cgroup 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)流量(netowork traffic)的優(yōu)先級。
perf_event 允許使用 perf 工具來監(jiān)控 cgroup。
pids 限制任務(wù)的數(shù)量。

Hierarchy(層級) 層級有一系列 cgroup 以一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)排列而成，每個(gè)層級通過綁定對應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行資源控制。層級中的 cgroup 節(jié)點(diǎn)可以包含零個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)繼承父節(jié)點(diǎn)掛載的子系統(tǒng)。一個(gè)操作系統(tǒng)中可以有多個(gè)層級。

cgroups 的文件系統(tǒng)接口

cgroups 以文件的方式提供應(yīng)用接口，我們可以通過 mount 命令來查看 cgroups 默認(rèn)的掛載點(diǎn)：

復(fù)制代碼代碼如下:$ mount | grep cgroup

第一行的 tmpfs 說明 /sys/fs/cgroup 目錄下的文件都是存在于內(nèi)存中的臨時(shí)文件。
第二行的掛載點(diǎn) /sys/fs/cgroup/systemd 用于 systemd 系統(tǒng)對 cgroups 的支持，相關(guān)內(nèi)容筆者今后會做專門的介紹。
其余的掛載點(diǎn)則是內(nèi)核支持的各個(gè)子系統(tǒng)的根級層級結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，在使用 systemd 系統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，/sys/fs/cgroup 目錄都是由 systemd 在系統(tǒng)啟動的過程中掛載的，并且掛載為只讀的類型。換句話說，系統(tǒng)是不建議我們在 /sys/fs/cgroup 目錄下創(chuàng)建新的目錄并掛載其它子系統(tǒng)的。這一點(diǎn)與之前的操作系統(tǒng)不太一樣。

下面讓我們來探索一下 /sys/fs/cgroup 目錄及其子目錄下都是些什么：

/sys/fs/cgroup 目錄下是各個(gè)子系統(tǒng)的根目錄。我們以 memory 子系統(tǒng)為例，看看 memory 目錄下都有什么？

這些文件就是 cgroups 的 memory 子系統(tǒng)中的根級設(shè)置。比如 memory.limit_in_bytes 中的數(shù)字用來限制進(jìn)程的可用內(nèi)存，memory.swappiness 中保存著使用 swap 的權(quán)重等等。

既然 cgroups 是以這些文件作為 API 的，那么我就可以通過創(chuàng)建或者是修改這些文件的內(nèi)容來應(yīng)用 cgroups。具體該怎么做呢？比如我們怎么才能限制某個(gè)進(jìn)程可以使用的資源呢？接下來我們就通過簡單的 demo 來演示如何使用 cgroups 限制進(jìn)程可以使用的資源。

查看進(jìn)程所屬的 cgroups

可以通過 /proc/[pid]/cgroup 來查看指定進(jìn)程屬于哪些 cgroup：

每一行包含用冒號隔開的三列，他們的含義分別是：

cgroup 樹的 ID， 和 /proc/cgroups 文件中的 ID 一一對應(yīng)。 和 cgroup 樹綁定的所有 subsystem，多個(gè) subsystem 之間用逗號隔開。這里 name=systemd 表示沒有和任何 subsystem 綁定，只是給他起了個(gè)名字叫 systemd。 進(jìn)程在 cgroup 樹中的路徑，即進(jìn)程所屬的 cgroup，這個(gè)路徑是相對于掛載點(diǎn)的相對路徑。

既然 cgroups 是以這些文件作為 API 的，那么我就可以通過創(chuàng)建或者是修改這些文件的內(nèi)容來應(yīng)用 cgroups。具體該怎么做呢？比如我們怎么才能限制某個(gè)進(jìn)程可以使用的資源呢？接下來我們就通過簡單的 demo 來演示如何使用 cgroups 限制進(jìn)程可以使用的資源。

cgroups 工具

在介紹通過 systemd 應(yīng)用 cgroups 之前，我們先使用 cgroup-bin 工具包中的 cgexec 來演示 demo。Ubuntu 默認(rèn)沒有安裝 cgroup-bin 工具包，請通過下面的命令安裝：

復(fù)制代碼代碼如下:$ sudo apt install cgroup-bin

demo：限制進(jìn)程可用的 CPU

在我們使用 cgroups 時(shí)，最好不要直接在各個(gè)子系統(tǒng)的根目錄下直接修改其配置文件。推薦的方式是為不同的需求在子系統(tǒng)樹中定義不同的節(jié)點(diǎn)。比如我們可以在 /sys/fs/cgroup/cpu 目錄下新建一個(gè)名稱為 nick_cpu 的目錄：

$ cd /sys/fs/cgroup/cpu
$ sudo mkdir nick_cpu

然后查看新建的目錄下的內(nèi)容：

是不是有點(diǎn)吃驚，cgroups 的文件系統(tǒng)會在創(chuàng)建文件目錄的時(shí)候自動創(chuàng)建這些配置文件！

讓我們通過下面的設(shè)置把 CPU 周期限制為總量的十分之一：

$ sudo su$ echo 100000 > nick_cpu/cpu.cfs_period_us
$ echo 10000 > nick_cpu/cpu.cfs_quota_us

上面的兩個(gè)參數(shù)眼熟嗎？沒錯(cuò)，筆者在《Docker: 限制容器可用的 CPU》一文中介紹的 --cpu-period=100000 --cpu-quota=200000 就是由它們實(shí)現(xiàn)的。

然后創(chuàng)建一個(gè) CPU 密集型的程序：

void main()
{ unsigned int i, end;
 end = 1024 * 1024 * 1024; 
for(i = 0; i < end; 
) { i ++; }}

保存為文件 cputime.c 編譯并通過不同的方式執(zhí)行：

$ gcc cputime.c -o cputime
$ sudo su$ time ./cputime
$ time cgexec -g cpu:nick_cpu ./cputime

time 命令可以為我們報(bào)告程序執(zhí)行消耗的時(shí)間，其中的 real 就是我們真實(shí)感受到的時(shí)間。使用 cgexec 能夠把我們添加的 cgroup 配置 nick_cpu 應(yīng)用到運(yùn)行 cputime 程序的進(jìn)程上。 上圖顯示，默認(rèn)的執(zhí)行只需要 2s 左右。通過 cgroups 限制 CPU 資源后需要運(yùn)行 23s。

demo：限制進(jìn)程可用的內(nèi)存

這次我們來限制進(jìn)程可用的內(nèi)存，在 /sys/fs/cgroup/memory 下創(chuàng)建目錄nick_memory：

$ cd /sys/fs/cgroup/memory
$ sudo mkdir nick_memory

下面的設(shè)置把進(jìn)程的可用內(nèi)存限制在 300M，并且不使用 swap：

# 物理內(nèi)存 + SWAP <= 300 MB；1024*1024*300 = 314572800$ sudo su$ echo 314572800 > nick_memory/memory.limit_in_bytes$ echo 0 > nick_memory/memory.swappiness

然后創(chuàng)建一個(gè)不斷分配內(nèi)存的程序，它分五次分配內(nèi)存，每次申請 100M：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#define CHUNK_SIZE 1024 * 1024 * 100void main(){ char *p; int i; for(i = 0; i < 5; i ++) { p = malloc(sizeof(char) * CHUNK_SIZE); if(p == NULL) { printf(fail to malloc!); return ; } // memset() 函數(shù)用來將指定內(nèi)存的前 n 個(gè)字節(jié)設(shè)置為特定的值 memset(p, 0, CHUNK_SIZE); printf(malloc memory %d MB\\n, (i + 1) * 100); }}

把上面的代碼保存為 mem.c 文件，然后編譯：

$ gcc mem.c -o mem

執(zhí)行生成的 mem 程序：

$ ./mem

此時(shí)一切順利，然后加上剛才的約束試試：

$ cgexec -g memory:nick_memory ./mem

由于內(nèi)存不足且禁止使用 swap，所以被限制資源的進(jìn)程在申請內(nèi)存時(shí)被強(qiáng)制殺死了。

下面再使用 stress 程序測試一個(gè)類似的場景(通過 stress 程序申請 500M 的內(nèi)存)：

$ sudo cgexec -g memory:nick_memory stress --vm 1 --vm-bytes 500000000 --vm-keep --verbose

stress 程序能夠提供比較詳細(xì)的信息，進(jìn)程被殺掉的方式是收到了 SIGKILL(signal 9) 信號。

實(shí)際應(yīng)用中往往要同時(shí)限制多種的資源，比如既限制 CPU 資源又限制內(nèi)存資源。使用 cgexec 實(shí)現(xiàn)這樣的用例其實(shí)很簡單，直接指定多個(gè) -g 選項(xiàng)就可以了：

$ cgexec -g cpu:nick_cpu -g memory:nick_memory ./cpumem

總結(jié)

cgroups 是 linux 內(nèi)核提供的功能，由于牽涉的概念比較多，所以不太容易理解。本文試圖在介紹概念性內(nèi)容的同時(shí)，用最簡單的 demo 演示 cgroups 的用法。希望直觀的 demo 能夠幫助大家理解 cgroups。

名稱欄目：linuxcgroups詳細(xì)介紹
標(biāo)題路徑：http://www.rwnh.cn/article2/cpjcic.html

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