Docker原理之限制篇 ---CGroups资源限制

简介

CGroups的全称叫做 control groups，是由Google首创，并被合入Linux内核的一种资源限制机制。使用CGroups可以将一系列任务极其子任务整个到资源划分等级不同的组内，从而管理系统资源。通俗讲，CGroups可以限制和记录任务组所使用的物理资源（包括CPU、Memory、IO等）。
CGroups对外以伪文件系统的方式提供API，用户态程序可以操作对应的文件以达到对CGroups的控制，其对于操作的单元可以细粒度到线程级别。需要注意的是，当父任务创建完子任务后，子任务依然处于父任务的CGroups组中。

功能

CGroups主要提供了以下四大功能：

1. 资源限制：CGroups可以针对任务使用的资源总额进行限制
2. 优先级分配：通过对CPU时间片、IO带宽等的限制，达到了控制任务优先级的目的
3. 资源统计：提供资源使用量的统计功能，例如CPU的使用时长、mem的占用量等
4. 任务控制：CGroups可以针对任务进行挂起、恢复等。

概念

CGroups提供了非常强大的资源控制能力，当然，其相关概念也比较多，本节主要介绍CGroups涉及的概念，以及基本含义。本节对后边的内容相当重要，一定要熟悉相关概念。

task（任务）

表示CGroups中的一个任务，该任务可以是线程，也可以是进程。

subsystem（子系统）

CGroups中对于某种资源的调度控制器，例如CPU子系统，控制CPU时间片的分配；mem子系统，控制cgroup对于内存的使用量等。在Linux中，子系统主要有以下9种组成（不同内核版本看到的种类数可能不同）：

1. blkio：对于块设备输入输出的限制
2. cpu：控制对于CPU的使用
3. cpuacct：自动生成cgroup中任务对CPU资源使用情况的报告
4. cpuset：可以为cgroup中任务分配独立的CPU和内存
5. devices：开启或关闭cgroup中任务对设备的访问
6. freezer：挂起或回复cgroup中的任务
7. memory：设定cgroup中任务对内存使用量的限定，并自动生成资源使用情况报告
8. perf_event：cgroup中任务可进行统一性能测试
9. net_cls：通过等级标识标记网络数据包，从而允许流量控制程序识别从cgroup中生成的数据包
10. net_prio：可以使用CGroup控制流量的优先级
11. pids：限制任务的数量

cgroup（控制组）

在CGroups中，所有的控制都是以控制组为单位实现的，表示将某种或某些资源按照某种控制标准进行划分而成的任务组，包含一个或多个subsystem。一个task可以加入某个cgroup，也可以从某个cgroup迁移到另一个cgroup。

hierarchy（层级）

由一系列cgroup以树状结构排列而成，每个层级通过绑定对应的子系统进行资源控制。层级中的cgroup节点可以包含零个或多个自己诶点，子节点继承父节点挂载的子系统。

组织规则

cgroups的主要由以下四大规则进行组织

规则1

同一层级可以附加一个或多个子系统，例如一个层级中，可以附加cpu子系统，也可以附加mem子系统。

规则2

当且仅当目标层级只有一个子系统时，一个子系统可以附加到多个层级上。例如：层级A上拥有CPU子系统，层级B上拥有mem子系统时，CPU子系统无法再添加到层级B上；如果层级B上没有mem子系统时，CPU子系统可以附加于层级B上。

规则3

系统新建一个层级时，该系统上所有任务默认加入该新层级的初始化cgroup中，这个cgroup被称为root cgroup。对于创建的每个层级，任务只能存在于其中一个cgroup中，即一个任务不能存在于同一个层级的不同cgroup中，但一个任务可以存在于不同层级中的多个cgroup中。

规则4

任务在fork、clone自身时创建的子任务默认与父任务在同一个cgroup中，但子任务允许被移动到不同cgroup中。

实操

本节利用限制cpu使用率的例子，理解CGroups的简单使用。本节主要使用Linux命令行对文件进行操作，在程序中，我们可以使用程序提供的文件操作函数来对CGroup进行操作。

查看挂载

通过 mount | grep cgroup 命令查看cgroup的挂载

第一行显示的是cgroup的文件系统类型为tmpfs（内存中的临时文件系统）；第二行表示systemd对cgroup的支持，systemd可以通过相关命令来控制进程；其余各行就是cgroups对应的子系统挂载目录。

挂载cgroups

通过 mount -t cgroup 命令挂载cgroup后，即可看到对应的子系统挂载目录

限制CPU

在操作限制CPU的实验之前，我们先编写一个消耗CPU高的程序，用来实验。

#include 

int main(int argc, char *argv[]) {

  while(1){
     for(int i = 0 ;i<100;i++);
  }

  return EXIT_SUCCESS;
}

编译运行上述程序，并使用top命令查看其CPU占比

从图中可以看到，不一会CPU占用就飙升到了100%。我们先看下对应进程所属的cgroup（输入 cat /proc/[pid]/cgroup即可）

我们看到，对应的cgroup都是 / 。此时，我们进入cpu子系统的cgroup目录，创建新的cgroup名为cg1

进入cg1 cgroup后，我们ls后看到有很多文件，这里重点介绍两个我们限制cpu使用时用到的文件，其他文件大家有兴趣可以自行查阅相关资料。

• cpu.cfs_period_us：用来设置一个CFS调度时间周期长度，默认值是100000us(100ms)，一般cpu.cfs_period_us作为系统默认值我们不会去修改它。
• cpu.cfs_quota_us：用来设置在一个CFS调度时间周期(cfs_period_us)内，允许此控制组执行的时间。默认值为-1表示没有限制时间。
• cgroup.procs：需要加入该cgroup的进程号

对于cpu.cfs_period_us和cpu.cfs_quota_us之间的关系再多做一点解释：

cpu.cfs_quota_us / cpu.cfs_period_us = 需要的CPU核数

例如：

• cpu.cfs_quota_us = 50000
• cpu.cfs_period_us = 100000
  则，该表明cgroup需要 0.5 核 CPU

通过上边的理论支撑，我们如果要将上述程序的CPU使用率限制在50%，则需要分三步操作：

1. 先cat cpu.cfs_period_us查看当前CFS的调度周期长度
2. echo cpu.cfs_quota_us 写入允许此控制组执行的时间为cpu.cfs_period_us的二分之一
3. 将进程号echo进 cgroup.procs

执行完上述操作后，我们可以看到，CPU的使用率已经被限制在了50%左右。
在日常的使用中，除了上述 cpu.cfs_quota_us 和 cpu.cfs_period_us 外，还有一个非常重要的文件是 cpu.shares，他是用来设置cpu子系统对于不同cgroup之间的cpu分配比例

例如，A cgroup 设置需要 4 个 CPU (cpu.cfs_quota_us/cpu.cfs_period_us = 4 )，B cgroup 也设置需要4个CPU，假设当前宿主机有16核CPU，则A和B都可以跑满4个CPU，即当CPU资源充足时，各自都可跑满设置的CPU核数。但是在CPU资源紧张的情况下，这个时候需要通过 cpu.shares 设置的比例来判断CPU分配的个数。例如还是上边的例子，假设此时宿主机只有4个CPU，A的cpu.shares为1024，B的cpu.shares 为 3072，他俩的比值为1:3，这个时候如果A满负荷运行，B不占用CPU或休眠，则A依然可以获得4个CPU。但是，如果此时A和B都需要满负荷运行，则A只能获得1个CPU，B可以获得3个CPU。

cpu.shares在生产环境最广泛的应用就是用来解决宿主机CPU资源紧张时优先保障核心业务或在线业务，主动降级非核心业务或离线业务。例如：我们可以将核心业务的cpu.shares设置为10240，将离线业务的cpu.shares设置为1024，则在资源紧张情况下，可以最大程度保障核心服务拿到CPU时间片的概率。

总结

CGroups是内核提供的一种资源限制机制，对用户态程序以伪文件系统的方式提供操作API，虽然概念繁多，但是我们通过对于cpu限制的实操，简单了解了CGroups的使用方法，也算是入门了CGroups这门技术。