容器中的Cgroup

引言：目前我们所提到的容器技术、虚拟化技术（不论何种抽象层次下的虚拟化技术）都能做到资源层面上的隔离和限制。

一、Cgroup概念

1.1容器化两个关键核心

对于容器技术而言，它实现资源层面上的限制和隔离，依赖于 Linux 内核所提供的 cgroup 和 namespace 技术。

我们先对这两项技术的作用做个概括：

cgroup 的主要作用：管理资源的分配、限制；
namespace 的主要作用：封装抽象，限制，隔离，使命名空间内的进程看起来拥有他们自己的全局资源；

1.2 现代容器化带来的优势

1、轻量级，基于 Linux 内核所提供的 cgroup 和 namespace 能力，创建容器的成本很低；

2、一定的隔离性；

3、标准化，通过使用容器镜像的方式进行应用程序的打包和分发，可以屏蔽掉因为环境不一致带来的诸多问题；

4、DevOps 支撑（可以在不同环境，如开发、测试和生产等环境之间轻松迁移应用，同时还可保留应用的全部功能）；

5、为基础架构增添防护，提升可靠性、可扩展性和信赖度；

6、DevOps/GitOps 支撑 （可以做到快速有效地持续性发布，管理版本及配置）；

7、团队成员间可以有效简化、加速和编排应用的开发与部署；

1.3 什么是Cgroup

Cgroup 是 Linux 内核的一个功能，用来限制、控制与分离一个进程组的资源（如CPU、内存、磁盘输入输出等）。它是由 Google 的两位工程师进行开发的，自 2008 年 1 月正式发布的 Linux 内核 v2.6.24 开始提供此能力。
Cgroup 到目前为止，有两个大版本， Cgroup v1 和 v2 。
Cgroup 是 Control Groups 的缩写，是Linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源(如 CPU、内存、磁盘 IO 等等)的机制，
被 LXC、docker 等很多项目用于实现进程资源控制。Cgroup 本身是提供将进程进行分组化管理的功能和接口的基础结构，I/O 或内存的分配控制等具体的资源管理是通过该功能来实现的。
这些具体的资源 管理功能称为 Cgroup 子系统，有以下几大子系统实现：

blkio： 设置限制每个块设备的输入输出控制。例如:磁盘，光盘以及 usb 等等。
CPU： 使用调度程序为 cgroup 任务提供 CPU 的访问。
cpuacct：产生 cgroup 任务的 CPU 资源报告。
cpuset： 如果是多核心的 CPU，这个子系统会为 cgroup 任务分配单独的 CPU 和 内存。
devices：允许或拒绝 cgroup 任务对设备的访问。
freezer：暂停和恢复 cgroup 任务。
memory： 设置每个 cgroup 的内存限制以及产生内存资源报告。
net_cls：标记每个网络包以供 cgroup 方便使用。
ns： 命名空间子系统。
perf_event：增加了对每个 group 的监测跟踪的能力，可以监测属于某个特定的 group 的所有线程以及运行在特定CPU上的线程。

二、Cgroup的一些测试

2.1 测试CPU和内存使用情况

使用 stress 工具测试 CPU 和内存
使用 Dockerfile 来创建一个基于 Centos 的 stress 工具镜像。

[[email protected] ~]# cd /opt
[[email protected] opt]# mkdir stress
[[email protected] opt]# cd stress/
[[email protected] stress]# pwd
/opt/stress
[[email protected] stress]# vim Dockerfile
FROM centos:7
MAINTAINER liang "[email protected]"
RUN yum install -y wget
RUN wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo
RUN yum install -y stress
[[email protected] stress]# docker build -t centos:stress .
[[email protected] stress]# docker images

使用如下命令创建容器，命令中的–cpu-shares 参数值不能保证可以获得 1 个 vcpu 或 者多少 GHz 的 CPU 资源，它仅是一个弹性的加权值

[[email protected] stress]# docker run -itd --cpu-shares 100 centos:stress 
e5570640d4ff1d2123a8a5ec770271dae46704325cfd1af4cec36180b9a125c9

说明：默认情况下，每个 Docker容器的CPU份额都是1024。单独一个容器的份额是没有意义的。只有在同时运行多个容器时，容器的 CPU 加权的效果才能体现出来。
例如，两个容 器 A、B 的 CPU 份额分别为 1000 和 500，在CPU进行时间片分配的时候，容器A比容器B多一倍的机会获得 CPU 的时间片。
但分配的结果取决于当时主机和其他容器的运行状态， 实际上也无法保证容器 A一定能获得CPU时间片。比如容器A的进程一直是空闲的，
那么容器B是可以获取比容器A更多的CPU时间片的。极端情况下，例如主机上只运行了一个容器，即使它的 CPU 份额只有 50，它也可以独占整个主机的CPU资源。
Cgroups 只在容器分配的资源紧缺时，即在需要对容器使用的资源进行限制时，才会生效。因此，无法单纯根据某个容器的CPU份额来确定有多少CPU资源分配给它，
资源分配 结果取决于同时运行的其他容器的CPU分配和容器中进程运行情况。
可以通过 cpu share 可以设置容器使用 CPU 的优先级，比如启动了两个容器及运行查看 CPU 使用百分比。

[[email protected] stress]# docker run -tid --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10   
//容器产生10个子函数进程
[[email protected] stress]# docker exec -it ebfa367c89dc /bin/bash  
//进入容器使用top查看cpu使用情况
[[email protected] stress]# docker run -tid --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10
//再开启一个容器做比较
[[email protected] stress]# docker exec -it baa55a684d52 /bin/bash  
//进容器使用top对比两个容器的%CPU，比例是1:2

2.2 CPU 周期限制

Docker 提供了–cpu-period、–cpu-quota 两个参数控制容器可以分配到的 CPU 时钟周期。
–cpu-period 是用来指定容器对 CPU 的使用要在多长时间内做一次重新分配。
–cpu-quota 是用来指定在这个周期内，最多可以有多少时间用来跑这个容器。
与 --cpu-shares 不同的是,这种配置是指定一个绝对值，容器对 CPU 资源的使用绝对不会超过配置的值。
cpu-period 和 cpu-quota 的单位为微秒（μs）。cpu-period 的最小值为 1000 微秒， 最大值为 1 秒（10^6 μs），默认值为 0.1 秒（100000 μs）。
cpu-quota 的值默认为 -1， 表示不做控制。cpu-period 和 cpu-quota 参数一般联合使用。
例如：容器进程需要每 1 秒使用单个 CPU 的 0.2 秒时间，可以将 cpu-period 设置 为 1000000（即 1 秒），cpu-quota 设置为 200000（0.2 秒）。
当然，在多核情况下，如果允许容器进程完全占用两个 CPU，则可以将 cpu-period 设置为 100000（即 0.1 秒）， cpu-quota 设置为 200000（0.2 秒）。

[[email protected] ~]# docker run -itd --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress 
e3b2152caad139d0fbf7a0887fd86f72091101edf3c7f5d8039dff23b018f491
[[email protected] ~]# docker exec -it e3 bash
[[email protected] /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us 
100000
[[email protected] /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us 
200000

三、CPU Core 控制

对多核 CPU 的服务器，Docker 还可以控制容器运行使用哪些 CPU 内核，即使用–cpuset-cpus 参数。
这对具有多 CPU 的服务器尤其有用，可以对需要高性能计算的容器进行性能最优的配置。

[[email protected] ~]# docker run -itd --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress 
3629e349be3f199b246bb16e0015af4ee85b171a7319008fc7165f3c634887e3
执行以上命令需要宿主机为双核，表示创建的容器只能用 0、1两个内核。最终生成 的 cgroup 的 CPU 内核配置如下：
[[email protected] ~]# docker exec -it 36 bash
[[email protected] /]# cat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
0-1

通过下面指令可以看到容器中进程与 CPU 内核的绑定关系，达到绑定 CPU 内核的目的。

[[email protected] ~]# docker ps
CONTAINER ID   IMAGE           COMMAND          CREATED          STATUS          PORTS     NAMES
3629e349be3f   centos:stress   "top"            4 minutes ago    Up 4 minutes              cpu1
e3b2152caad1   centos:stress   "top"            10 minutes ago   Up 10 minutes             nervous_aryabhata
baa55a684d52   centos:stress   "stress -c 10"   22 minutes ago   Up 22 minutes             cpu1024
ebfa367c89dc   centos:stress   "stress -c 10"   26 minutes ago   Up 26 minutes             cpu512
[[email protected] ~]# docker exec 36 taskset -c -p 1
//容器内部第一个进程号pid为1被绑定到指定CPU上运行
pid 1's current affinity list: 0,1

3.2 CPU 配额控制参数的混合使用

通过 cpuset-cpus 参数指定容器 A 使用 CPU 内核 0，容器 B 只是用 CPU 内核 1。
在主机上只有这两个容器使用对应 CPU 内核的情况，它们各自占用全部的内核资源，cpu-shares 没有明显效果。
cpuset-cpus、cpuset-mems 参数只在多核、多内存节点上的服务器上有效，并且必须与实际的物理配置匹配，否则也无法达到资源控制的目的。
在系统具有多个 CPU 内核的情况下，需要通过 cpuset-cpus 参数为设置容器 CPU 内核才能方便地进行测试。

//宿主系统修改为4核心CPU

[[email protected] ~]# docker run -itd --name cpu3 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1
be2523147c1f666f020bdff9c5a3b964599f60ab7ed75d5d1071c69428dcd80a
[[email protected] ~]# docker run -tid --name cpu4 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1
73837cf06f4b538e1293dbc38d6e7970a5c301b3f5a37aa7e1e16a99505d2b5e
[[email protected] ~]# top  //记住按1查看每个核心的占用
top - 22:02:24 up 57 min,  2 users,  load average: 21.62, 20.66, 18.25
Tasks: 223 total,  23 running, 200 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu0  :100.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
%Cpu1  : 99.7 us,  0.3 sy,  0.0 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
%Cpu2  :100.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
%Cpu3  :100.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  3861508 total,  2273564 free,   724792 used,   863152 buff/cache
KiB Swap:  5119996 total,  5119996 free,        0 used.  2793852 avail Mem 

总结：上面的 centos:stress 镜像安装了 stress 工具，用来测试 CPU 和内存的负载。通过 在两个容器上分别执行 stress -c 1 命令，
将会给系统一个随机负载，产生 1 个进程。这 个进程都反复不停的计算由 rand() 产生随机数的平方根，直到资源耗尽。
观察到宿主机上的 CPU 使用率，第三个内核的使用率接近 100%， 并且一批进程的 CPU 使用率明显存在 2:1 的使用比例的对比。

3.3 内存限额

与操作系统类似，容器可使用的内存包括两部分：物理内存和 Swap。
Docker 通过下面两组参数来控制容器内存的使用量。

-m 或 --memory：设置内存的使用限额，例如 100M、1024M。 
--memory-swap：设置 内存+swap 的使用限额。

执行如下命令允许该容器最多使用 200M 的内存和 300M 的 swap。

[[email protected] stress]# docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 280M
--vm 1：启动 1 个内存工作线程。 
--vm-bytes 280M：每个线程分配 280M 内存。

默认情况下，容器可以使用主机上的所有空闲内存。
与 CPU 的 cgroups 配置类似， Docker 会自动为容器在目录 /sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器的完整长 ID>
中创建相应 cgroup 配置文件
如果让工作线程分配的内存超过 300M，分配的内存超过限额，stress 线程报错，容器 退出。

[[email protected] stress]# docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 310M

stress: info: [1] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 1 vm, 0 hdd
stress: dbug: [1] using backoff sleep of 3000us
stress: dbug: [1] --> hogvm worker 1 [6] forked
stress: dbug: [6] allocating 325058560 bytes ...
stress: dbug: [6] touching bytes in strides of 4096 bytes ...
stress: FAIL: [1] (416) <-- worker 6 got signal 9
stress: WARN: [1] (418) now reaping child worker processes
stress: FAIL: [1] (422) kill error: No such process
stress: FAIL: [1] (452) failed run completed in 0s

3.4 Block IO 的限制

默认情况下，所有容器能平等地读写磁盘，可以通过设置–blkio-weight 参数来改变 容器 block IO 的优先级。
–blkio-weight 与 --cpu-shares 类似，设置的是相对权重值，默认为 500。
在下面 的例子中，容器 A 读写磁盘的带宽是容器 B 的两倍。

[[email protected] docker]# docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
[[email protected] /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
600
[[email protected] docker]# docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress
[[email protected] /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
300

3.5 bps 和 iops的限制

概念：
bps 是 byte per second，每秒读写的数据量。
iops 是 io per second，每秒 IO 的次数。

可通过以下参数控制容器的 bps 和 iops：

--device-read-bps，限制读某个设备的 bps。
--device-write-bps，限制写某个设备的 bps。
--device-read-iops，限制读某个设备的 iops。
--device-write-iops，限制写某个设备的 iops。

下面的示例是限制容器写 /dev/sda 的速率为 5 MB/s。

[[email protected] ~]# docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress
[[email protected] ~]# docker ps
CONTAINER ID   IMAGE           COMMAND   CREATED          STATUS          PORTS     NAMES
862e802f56f9   centos:stress   "top"     5 minutes ago    Up 4 minutes              kind_bhabha
[[email protected] ~]# docker exec -it 862 /bin/bash
[[email protected] /]# dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct //可以按ctrl+c中断查看
681+0 records in
681+0 records out
714080256 bytes (714 MB) copied, 136.201 s, 5.2 MB/s

通过 dd 命令测试在容器中写磁盘的速度。因为容器的文件系统是在 host /dev/sda 上 的，
在容器中写文件相当于对 host /dev/sda 进行写操作。另外，oflag=direct 指定用 direct IO 方式写文件，
这样 --device-write-bps 才能生效。
结果表明限速 5MB/s 左右。作为对比测试，如果不限速，结果如下。

[[email protected] docker]# docker run -it centos:stress

[[email protected] /]# dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct
1024+0 records in
1024+0 records out
1073741824 bytes (1.1 GB) copied, 0.928611 s, 1.2 GB/s

总结：

cgroup 的简述，暂告一段落