Docker核心原理之 Cgroup詳解

內核中強大的工具cgroup，不僅可以限制被NameSpace隔離起來的資源，還可以為資源設置權重，計算用量等

什麼是cgroup

cgroup全稱是control groups

control groups：控制組，被整合在瞭linux內核當中，把進程（tasks）放到組裡面，對組設置權限，對進程進行控制。可以理解為用戶和組的概念，用戶會繼承它所在組的權限。

cgroups是linux內核中的機制，這種機制可以根據特定的行為把一系列的任務，子任務整合或者分離，按照資源劃分的等級的不同，從而實現資源統一控制的框架，cgroup可以控制、限制、隔離進程所需要的物理資源，包括cpu、內存、IO，為容器虛擬化提供瞭最基本的保證，是構建docker一系列虛擬化的管理工具

對於開發cgroup的特點

API：實現管理

cgroup管理可以管理到線程界別

所有線程功能都是subsystem（子系統）統一的管理方式

子進程和父進程在一個cgroup裡面，隻需要控制父進程就可以

cgroup的作用

cgroup的內核通過hook鉤子來實現管理進程資源，提供瞭一個統一的接口，從單個進程的資源控制到操作系統層面的虛擬卡的過渡

cgroup提供瞭四個功能：

1. 資源控制：cgroup通過進程組對資源總額進行限制。如：程序使用內存時，要為程序設定可以使用主機的多少內存，也叫作限額
2. 優先級分配：使用硬件的權重值。當兩個程序都需要進程讀取cpu，哪個先哪個後，通過優先級來進行控制
3. 資源統計：可以統計硬件資源的用量，如：cpu、內存…使用瞭多長時間
4. 進程控制：可以對進程組實現掛起/恢復的操作，

術語表

• task：表示系統中的某一個進程—PID
• cgroup：資源控制，以控制組（cgroup）為單位實現，cgroup中有都是task，可以有多個cgroup組，可以限制不同的內容，組名不能相同。
• subsystem：子系統。資源調度控制器。具體控制內容。如：cpu的子系統控制cpu的時間分配，內存的子系統可以控制某個cgroup內的內存使用量，硬盤的子系統，可以控制硬盤的讀寫等等。
• hierarchy：層級樹，一堆cgroup構成，包含多個cgroup的叫層級樹，，每個hierarchy通過綁定的子系統對資源進行調度，可以包含0個或多個子節點，子節點繼承父節點的屬性，整個系統可以有多個hierarchy，是一個邏輯概念

關系：一個cgroup裡可以有多個task，subsystem相當於控制cgroup限制的類型， hierarchy裡可以有多個cgroup，一個系統可以有多個hierarchy。

層級樹的四大規則

傳統的進程啟動，是以init為根節點，也叫父進程，由它來創建子進程，作為子節點，而每個子節點還可以創建新的子節點，這樣構成瞭樹狀結構。而cgroup的結構跟他類似的。子節點繼承父節點的屬性。他們最大的不同在於，系統的cgroup構成的層級樹允許有多個存在，如果進程模型是init為根節點形成一個樹，那cgroup的模型由多個層級樹來構成。

如果隻有一個層級樹，所有的task都會受到一個subsystem的相同的限制，會給不需要這種限制的task造成麻煩

1.同一個層級樹（hierarchy）可以附加一個或多個子系統（subsystem）

可以看到在一個層級樹中，有一個cpu_mem_cg的cgroup組下還有兩個子節點cg1和cg2，如圖所示，也就意味著在cpu_mem_cg的組中，附加瞭cpu和mem內存兩個子系統，同時來控制cg1和cg2的cpu和內存的硬件資源使用

2.一個子系統（subsystem）可以附加到多個層級樹（hierarchy）中，但是僅僅是可以附加到多個沒有任何子系統的層級樹中。

如圖所示，cpu子系統先附加到層級樹A上，同時就不能附加到層級樹B上，因為B上已經有瞭一個mem子系統，如果B和A同時都是沒有任何子系統時，這時，cpu子系統可以同時附加到A和B兩個層級樹中

言外之意就是，如果多個層級樹中都沒有子系統，這個時候一個cpu子系統依次可以附加到這些層級樹中

3.一個進程（task）不能屬於同一個層級樹（hierarchy）的不同cgroup

系統每次新建一個層級樹（hierarchy）時，默認的構成瞭新的層級樹的初始化的cgroup，這個cgroup被稱為root cgroup，對於你自己成功的層級樹（hierarchy）來說，task隻能存在這個層級樹的一個cgroup當中，意思就是一個層級樹中不能出現兩個相同的task，但是它可以存在不同的層級樹中的其他cgroup。

如果要將一個層級樹cgroup中的task添加到這個層級樹的其他cgroup時，會被從之前task所在的cgroup移除

如以上圖中示例：

httpd已經加入到層級樹（hierarchy）A中的cg1中，且pid為58950，此時就不能將這個httpd進程放入到cg2中，不然cg1中的httpd進程就會被刪除，但是可以放到層級樹（hierarchy）B的cg3控制組中

其實是為瞭防止出現進程矛盾，如：在層級樹A中的cg1中存在httpd進程，這時cpu對cg1的限制使用率為30%，cg2的限制使用率為50%，如果再將httpd進程添加到cg2中，這時httpd的cpu使用率限制就有瞭矛盾。

4.剛fork出的子進程在初始狀態與父進程處於同一個cgroup

進程task新開的一個子進程（child_task）默認是和原來的task在同一個cgroup中，但是child_task允許被移除到該層級樹的其他不同的cgroup中。

當fork剛完成之後，父進程和子進程是完全獨立的

如圖中所示中，httpd58950進程，當有人訪問時，會fork出另外一個子進程httpd58951，這個時候默認httpd58951和httpd58950都在cg1中，他們的關系也是父子進程，httpd58951是可以移動到cg2中，這時候就改變瞭他們的關系，都變為瞭獨立的進程。

Subsystem子系統

subsystem究竟可以控制什麼東西

通過以下的操作來驗證

[root@localhost ~]# yum -y install libcgroup-tools
安裝這個工具後就看可以通過使用cgroup命令來查看

列出系統中所有的cgroup控制組

[root@localhost ~]# lscgroup
net_cls,net_prio:/
freezer:/
hugetlb:/
cpu,cpuacct:/
cpu,cpuacct:/machine.slice
cpu,cpuacct:/user.slice
cpu,cpuacct:/system.slice
cpu,cpuacct:/system.slice/network.service
cpu,cpuacct:/system.slice/docker.service
...

查看subsystem可以控制的硬件

[root@localhost ~]# lssubsys -a
cpuset
cpu,cpuacct
memory
devices
freezer
net_cls,net_prio
blkio
perf_event
hugetlb
pids

以上查看到的，有存在的對應目錄，/sys/fs/cgroup

[root@localhost ~]# ll /sys/fs/cgroup/
total 0
drwxr-xr-x. 5 root root  0 Mar 25 04:50 blkio
lrwxrwxrwx. 1 root root 11 Mar 25 04:50 cpu -> cpu,cpuacct
lrwxrwxrwx. 1 root root 11 Mar 25 04:50 cpuacct -> cpu,cpuacct
drwxr-xr-x. 5 root root  0 Mar 25 04:50 cpu,cpuacct
drwxr-xr-x. 2 root root  0 Mar 25 04:50 cpuset
drwxr-xr-x. 5 root root  0 Mar 25 04:50 devices
drwxr-xr-x. 2 root root  0 Mar 25 04:50 freezer
drwxr-xr-x. 2 root root  0 Mar 25 04:50 hugetlb
drwxr-xr-x. 5 root root  0 Mar 25 04:50 memory
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 Mar 25 04:50 net_cls -> net_cls,net_prio
drwxr-xr-x. 2 root root  0 Mar 25 04:50 net_cls,net_prio
lrwxrwxrwx. 1 root root 16 Mar 25 04:50 net_prio -> net_cls,net_prio
drwxr-xr-x. 2 root root  0 Mar 25 04:50 perf_event
drwxr-xr-x. 5 root root  0 Mar 25 04:50 pids
drwxr-xr-x. 5 root root  0 Mar 25 04:50 systemd

可以看到目錄中的內容是比命令查看到的多，是因為有幾個軟鏈接文件

# 以下三個都屬於cpu,cpuacct
cpu -> cpu,cpuacct
cpuacct -> cpu,cpuacct
cpu,cpuacct
# 以下三個都屬於net_cls,net_prio
net_cls -> net_cls,net_prio
net_prio -> net_cls,net_prio
net_cls,net_prio

Subsystem可以控制的內容分別代表什麼

註意：到現在為止，還沒有可以對容器硬盤大小進行限制的工具，隻能限制硬盤的讀寫頻率

cgroup的工作原理

查看cgroup中的CPU控制中的tasks文件，存放瞭對文件中的進程的cpu的控制，如果要添加某個進程對cpu的控制，將進程的pid加入tasks文件即可，包括其他的硬件資源控制也是如此

[root@localhost ~]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/tasks 
1
2
4
5
6
7
8
9
...
68469
68508
68526
68567

在生產環境中，由於在內核中，所以它是自動增加的

cgroup真正的工作原理就是hook鉤子，cgroup的實現本質上是給系統進程掛上鉤子實現的，當task進程運行的過程中，設計到某個資源是，就會觸發鉤子上附帶的subsystem子系統進行資源檢測，最終根據資源類別的不同使用對應的技術進行資源限制和優先級分配。

鉤子是怎麼實現的

簡單來說，linux中管理task進程的數據結構，在cgroup的每個task設置一個關鍵詞，將關鍵詞都指向鉤子，叫做指針。

一個task隻對應一個指針結構時，一個指針結構可以被多個task進行使用

當一個指針一旦讀取到唯一指針數據的內容，task就會被觸發，就可以進行資源控制

在實際的使用過程中，用戶需要使用mount來掛載cgroup控制組

在目錄中可以看到，比如httpd程序，pid號為69060

[root@localhost ~]# yum -y install httpd^C
[root@localhost ~]# systemctl start httpd^C
[root@localhost ~]# netstat -anput | grep 80
tcp6       0      0 :::80           :::*          LISTEN      69060/httpd

查看它pid號目錄中的mounts文件，存放瞭大量的關於cgroup的掛載

可以看到每一個cgoup後面的目錄，如/sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct，說明httpd進程受到瞭cpu使用的限制，該文件中還有很多類似的掛載項，可以看到的有blkio/perf_event/memory等的硬件資源控制。

[root@localhost ~]# cat /proc/69060/mounts
rootfs / rootfs rw 0 0
/dev/mapper/centos-root / xfs rw,seclabel,relatime,attr2,inode64,noquota 0 0
devtmpfs /dev devtmpfs rw,seclabel,nosuid,size=914476k,nr_inodes=228619,mode=755 0 0
tmpfs /dev/shm tmpfs rw,seclabel,nosuid,nodev 0 0
devpts /dev/pts devpts rw,seclabel,nosuid,noexec,relatime,gid=5,mode=620,ptmxmode=000 0 0
mqueue /dev/mqueue mqueue rw,seclabel,relatime 0 0
hugetlbfs /dev/hugepages hugetlbfs rw,seclabel,relatime 0 0
...
cgroup /sys/fs/cgroup/systemd cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,xattr,release_agent=/usr/lib/systemd/systemd-cgroups-agent,name=systemd 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,net_prio,net_cls 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/freezer cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,freezer 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/hugetlb cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,hugetlb 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuacct,cpu 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/cpuset cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuset 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/devices cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,devices 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/memory cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/blkio cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,blkio 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/pids cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,pids 0 0
cgroup /sys/fs/cgroup/perf_event cgroup rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,perf_event 0 0
...

這就是通過mount控制cgroup的，所有的程序都是這樣的，子系統上所有的系統都把文件mount上以後，就可以像操作系統一樣操作cgroup和層級樹進行管理，包括權限管理、子文件系統，除瞭cgroup文件系統以外，內核中沒有為cgroup的訪問提供添加其他任何的操作，想要去操作cgroup，就必須使用mount掛到某一個cgroup控制組內才行。

資源控制操作

我們需要知道每一個硬件資源的具體怎麼去控制的操作

如：

cgroup組中的cpu目錄裡具體的每一項的具體的含義，都是對cpu具體的控制的細節

[root@localhost ~]# cd /sys/fs/cgroup/cpu
[root@localhost cpu]# ls
cgroup.clone_children  cpuacct.stat          cpu.cfs_quota_us   cpu.stat           system.slice
cgroup.event_control   cpuacct.usage         cpu.rt_period_us   machine.slice      tasks
cgroup.procs           cpuacct.usage_percpu  cpu.rt_runtime_us  notify_on_release  user.slice
cgroup.sane_behavior   cpu.cfs_period_us     cpu.shares         release_agent

這些具體的使用方法會在下一篇文章中來逐個去解釋用法

Docker命令行限制內容

-c/--cpu-shares:限制cpu優先級

-m/--memory:限制內存的使用容量
--memory-swap:限制內存+swap的大小

--blkil-weight
bps/iops
--device-read-bps
--device-write-bps
--device-read-iops
--device-write-iops

具體使用方法：cpu、內存、blkio

cgroup目錄結構如下

/sys/fs/cgroup中存放瞭所有進程的硬件資源控制

/sys/fs/cgroup/{cpu,memory,blkio...}/目錄下存放瞭特定硬件資源的默認的非docker進程的控制，docker的進程號不會在這些目錄下

/sys/fs/cgroup/cpu/docker/目錄下存放瞭docker在主機內的進程控制

/sys/fs/cgroup/cpu/docker/容器id/目錄下存放瞭對docker產生的容器的控制

到此這篇關於Docker核心原理之 Cgroup詳解的文章就介紹到這瞭,更多相關Docker核心原理內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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