虚拟化–操作系统级 LXC Linux Containers内核轻量级虚拟化技术

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软件平台：Ubuntu 14.04

容器有效地将由单个操作系统管理的资源划分到孤立的组中，以更好的在孤立的组之间有冲突的资源使用需求。与其他的虚拟化比较，这样既不需要指令级模拟，也不需要即时编译。容器可以在寒心CPU本地运行指令，而不需要任何专门的解释机制。此外半虚拟化和系统调用替换的复杂性。

LXC的实现是基于内核中的namespace和cgroup实现的。

namespace：

和C++中的namespace概念相似。在Linux操作系统中，系统资源如：进程、用户账户、文件系统、网络都是属于某个namespace。每个namespace下的资源对于其他的namespace资源是透明的，不可见的。因为在操作系统层上就会出现相同的pid的进程，多个相同uid的不同账号。

内核中的实现：

namespace是针对每一个进程而言的，所以在task_struct结构的定义中有一个指向nsproxy的指针

1 /* namespaces */
2 struct nsproxy *nsproxy;

该结构体的定义如下：

01 /*
02  * A structure to contain pointers to all per-process
03  * namespaces - fs (mount), uts, network, sysvipc, etc.
04  *
05  * The pid namespace is an exception -- it's accessed using
06  * task_active_pid_ns.  The pid namespace here is the
07  * namespace that children will use.
08  *
09  * 'count' is the number of tasks holding a reference.
10  * The count for each namespace, then, will be the number
11  * of nsproxies pointing to it, not the number of tasks.
12  *
13  * The nsproxy is shared by tasks which share all namespaces.
14  * As soon as a single namespace is cloned or unshared, the
15  * nsproxy is copied.
16  */
17 struct nsproxy {
18     atomic_t count;
19     struct uts_namespace *uts_ns;
20     struct ipc_namespace *ipc_ns;
21     struct mnt_namespace *mnt_ns;
22     struct pid_namespace *pid_ns_for_children;
23     struct net       *net_ns;
24 };

其中第一个属性count表示的是该命名空间被进程引用的次数。后面的几个分别是不同类型的命名空间。以pid_namespace为例。

其结构如下所示：

01 struct pid_namespace {
02     struct kref kref;//引用计数
03     struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];//用于标记空闲的id号
04     struct rcu_head rcu;
05     int last_pid;//上一次分配的id号
06     unsigned int nr_hashed;
07     struct task_struct *child_reaper;//相当于全局的init进程，用于对僵尸进程进行回收
08     struct kmem_cache *pid_cachep;
09     unsigned int level;//namespace的层级
10     struct pid_namespace *parent;//上一级namespace指针
11 #ifdef CONFIG_PROC_FS
12     struct vfsmount *proc_mnt;
13     struct dentry *proc_self;
14 #endif
15 #ifdef CONFIG_BSD_PROCESS_ACCT
16     struct bsd_acct_struct *bacct;
17 #endif
18     struct user_namespace *user_ns;
19     struct work_struct proc_work;
20     kgid_t pid_gid;
21     int hide_pid;
22     int reboot; /* group exit code if this pidns was rebooted */
23     unsigned int proc_inum;
24 };

内核中的pid结构表示：

1 struct pid
2 {
3     atomic_t count;
4     unsigned int level;//pid对应的级数
5     /* lists of tasks that use this pid */
6     struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];//一个pid可能对应多个task_struct
7     struct rcu_head rcu;
8     struct upid numbers[1];//该结构是namespace中的具体的pid，从1到level各级别的namesapce，这里相当于一个指针，只不过不需要再分配空间
9 };

上面的结构体就是内核中进程的标示符，可以用于标识内核中的tasks、process groups和sessions。这个结构体和具体的task通过hash来关联，通过具体的task对应的pid的值可以获得绑定的pid结构体。

属于具体的namespace的pid结构upid：

1 struct upid {
2     /* Try to keep pid_chain in the same cacheline as nr for find_vpid */
3     int nr;
4     struct pid_namespace *ns;
5     struct hlist_node pid_chain;
6 };

该结构体是用来获得结构体pid的具体的id，它只对特定的namespace可见。会通过函数find_pid_ns(int nr,pid_namespace *ns)函数来获得具体的PID结构。

整体结构如下图：

 

Cgroup：

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（CPU，内存，IO等等）的机制。Cgroup也是LXC位实现虚拟化所使用的资源管理的手段。可以说没有Cgroup就没有LXC，也就没有Docker。

Cgroup提供的功能：

• 限制进程组可以使用的资源数量。一单进程组使用的内存达到限额就会引发异常
• 控制进程组的优先级。可以使用cpu子系统为某个进程组分配特定的cpu share
• 记录进程组使用资源的数量
• 进程组隔离。eg.使用ns子系统可以使不同的进程组使用不同的namespace，已达到
• 进程组控制

 Cgroup子系统：

• blkio：设定输入输出限制
• cpu：使用调度程序对CPU的Cgroup任务访问
• cpuacct：自动生成Cgroup任务所使用的CPU报告
• cpuset：为Cgroup中的任务分配独立的CPU（多核系统中）和内存节点
• devices：允许或拒绝Cgroup中的任务访问设备
• freezer：挂起或回复Cgroup中的任务
• memory：Cgroup中任务使用内存的限制
• net_cls：允许Linux流量控制程序识别从cgroup中生成的数据包
• ns：命名空间子系统

Cgroup中的概念：

• 任务（Task）：任务就是系统中的一个进程
• 控制族群（control group）：一组按某种标准划分的进程，控制族群通常按照应用划分，即与某应用相关的一组进程，被划分位一个进程组（控制族群）。Cgroup中资源控制都是以控制族群为单位实现。一个进程可以加入某个控制族群，也可以从一个进程组迁移到另一个控制族群。
• 层级：控制族群可以组织成层级的形式–控制族群树。
• 子系统：资源控制器，比如CPU子系统就是控制CPU时间分配的一个控制器。子系统必须attach到一个层级上才能起作用，一个子系统附件到某个层级以后，这个层级上的所有控制族群都收到这个子系统的控制。

Cgroup使用控制CPU：

在Ubuntu中，cgroup默认挂载位置/sys/fs/cgroup目录。ls查看一下：

1 yan@yan-Z400:/sys/fs/cgroup$ ls
2 blkio      cpu      cpuset   freezer  memory      systemd
3 cgmanager  cpuacct  devices  hugetlb  perf_event

可以看到cgroup的不同子系统目录。

在CPU文件夹中新建一个geekcome目录，默认ubuntu已经将子系统全部挂载了：

进入cpu文件夹新建一个geekcome文件夹，然后查看：

1 yan@yan-Z400:/sys/fs/cgroup/cpu$ ls
2 cgroup.clone_children  cgroup.sane_behavior  cpu.shares  lxc                tasks
3 cgroup.event_control   cpu.cfs_period_us     cpu.stat    notify_on_release
4 cgroup.procs           cpu.cfs_quota_us      geekcome    release_agent

新建文件夹后在文件夹里会自动生成相应的文件：

01 geekcome
02 ├── cgroup.clone_children
03 ├── cgroup.event_control
04 ├── cgroup.procs
05 ├── cpu.cfs_period_us
06 ├── cpu.cfs_quota_us
07 ├── cpu.shares
08 ├── cpu.stat
09 ├── notify_on_release
10 └── tasks

下面就跑一个死循环程序，导致CPU使用率到达100%。

1 PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
2 5046 yan       20   0   25928   4848   2324 R 100.0  0.1   0:22.47 python

现在执行如下的命令：

1 echo "50000" >/sys/fs/cgroup/cpu/geekcome/cpu.cfs_quota_us
2 echo "5046" >/sys/fs/group/cpu/geekcome/tasks

再top查看一下：

1 PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
2 5046 yan       20   0   25928   4844   2324 R  49.8  0.1   0:49.27 python

进程5046的cpu使用率从100%降低到50%。在Cgroup里，可以使用cpu.cfs_period_us和cpu.cfs.quota_ua来限制在单位时间里可以使用的cpu时间。这里cfs的含义是Completely Fair Scheduler（完全公平调度器）。cpu.cfs_period_us是时间周期，默认是100000（百毫秒）。cpu.cfs_quota_us是在这期间可以使用的cpu时间，默认-1（无限制）。

在上面的实例中，通过修改cpu.cfs_period_us文件，将百毫秒修改为一半，成功将CPU使用率降低到50%。cfs.quota_us文件主要对于多核的机器，当有n个核心时，一个控制组的进程最多能用到n倍的cpu时间。

Cgroup除了资源控制功能外，还有资源统计功能。云计算的按需计费可以通过它来实现。这里只实例CPU的控制，其他的子系统控制请自行实验。

LXC使用：

创建一个容器：

1 lxc-create -n name [-f config_file] [-t template]
2 sudo lxc-create -n ubuntu01 -t ubuntu

-n就是虚拟机的名字，-t是创建的模板，保存路径在/usr/lib/lxc/templates。模板就是一个脚本文件，执行一系列安装命令和配置（穿件容器的挂载文件系统，配置网络，安装必要软件，创建用户并设置密码等）。

显示已经创建的容器：

1 lxc-ls

 启动一个容器：

1 lxc-start -n name [-f config_file] [-s KEY=VAL] [command]

启动一个容器，可以指定要执行的命令，如果没有指定，lxc-start会默认执行/sbin/init命令，启动这个容器。

关闭一个容器：

1 lxc-stop -n name

快速启动一个任务，任务执行完毕后删除容器：

1 lxc-execute -n name [-f config_file] [-s KEY=VAL ] [--] command

它会按照配置文件执行lxc-create创建容器，如果没有指定的配置文件，则选择默认。该命令一般用于快速使用容器环境执行摸个任务，任务执行完毕后删除掉容器。

(完)

作者： Yong Man

出处： 极客来 GeekCome

原文： 虚拟化–操作系统级 LXC Linux Containers内核轻量级虚拟化技术

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