Docker-Cgroup 资源配置方法

前言

docker 使用cgroup控制资源，K8S 里面也有 limit （使用上限）
Docker通过 Cgroup 来控制容器使用的资源配额，包括 CPU、内存、磁盘三大方面， 基本覆盖了常见的资源配额和使用量控制。
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
07年谷歌，可以控制资源分配通过操作系统内核,控制应用程序使用内存资源、cpu资源、 文件系统资源等等
cgroup是一种资源控制手段
也是容器隔离的6个名称空间的一种实现手段
每个容器相当于一个进程

CPU使用率控制
cpu周期: 1s为一个周期的定律，参数值一般为100000 (CPU衡量单位是秒)
假如需要给此容器分配cpu使用率的20%,则参数需要设置为20000,相当于每个周期分配给这个容器0.2s
cpu在一个时刻，只能给一个进程占用

一、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。
[root@localhost ~]# mkdir /opt/stress
[root@localhost ~]# vim /opt/stress/Dockerfile

FROM centos:7
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

[root@localhost ~]# cd /opt/stress/
[root@localhost stress]# docker build -t centos:stress .

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。

[root@docker stress]# docker run -itd --cpu-shares 100 centos:stress
f7e01bda640b16b0616226483a518036edd43a0c9332a1eb1293c182e076d391

nginx
upstream tomcat_server {
192.168.226.129:8080 weight=1
192.168.226.130:8080 weight=2
}

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。

一个主机运行一个容器，只运行了一个应用（容器也是虚拟化技术 ）
一个主机运行一个应用

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/权重，比如启动了两个容器及运行查看 CPU 使用百分比。

[root@docker 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

[root@dockert stress]# docker exec -it f4953c0d7e76 bash //进入容器使用top查看cpu使用情况

//再开启一个容器做比较
[root@docker stress]# docker run -tid --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10

[root@localhost stress]# docker exec -it 5590c57d27b0 bash //进容器使用top对比两个容器的%CPU，比例是1:2

docker stats 查看资源使用

二、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。

cd /sys/fs/cgroup/cpu/docker容器ID/cpu.cfs_quota_us

[root@docker root4]# cd /sys/fs/
[root@docker fs]# ls
bpf  cgroup  pstore  selinux  xfs
[root@docker fs]# cd cgroup/
[root@docker cgroup]# ls
blkio  cpuacct      cpuset   freezer  memory   net_cls,net_prio  perf_event  systemd
cpu    cpu,cpuacct  devices  hugetlb  net_cls  net_prio          pids
[root@docker cgroup]# cd cpu
[root@docker cpu]# ls'
> ^C
[root@docker cpu]# ls
cgroup.clone_children  cpuacct.usage         cpu.rt_runtime_us  notify_on_release
cgroup.event_control   cpuacct.usage_percpu  cpu.shares         release_agent
cgroup.procs           cpu.cfs_period_us     cpu.stat           system.slice
cgroup.sane_behavior   cpu.cfs_quota_us      docker             tasks
cpuacct.stat           cpu.rt_period_us      machine.slice      user.slice
[root@docker cpu]# cd docker/
[root@docker docker]# ls
0e81eb883eb7ea51eb2e324a2fb2b33aecd88e4a80bb328af7d9e53255f65513  cpu.cfs_period_us
83081ffaad66f7e9833727001c9f93f9389b7da21b57ef7a70084f4f419d701f  cpu.cfs_quota_us
cgroup.clone_children                                             cpu.rt_period_us
cgroup.event_control                                              cpu.rt_runtime_us
cgroup.procs                                                      cpu.shares
cpuacct.stat                                                      cpu.stat
cpuacct.usage                                                     notify_on_release
cpuacct.usage_percpu                                              tasks
[root@docker docker]# cd 0e81eb883eb7ea51eb2e324a2fb2b33aecd88e4a80bb328af7d9e53255f65513/
[root@docker 0e81eb883eb7ea51eb2e324a2fb2b33aecd88e4a80bb328af7d9e53255f65513]# ls
cgroup.clone_children  cpuacct.stat          cpu.cfs_period_us  cpu.rt_runtime_us  notify_on_release
cgroup.event_control   cpuacct.usage         cpu.cfs_quota_us   cpu.shares         tasks
cgroup.procs           cpuacct.usage_percpu  cpu.rt_period_us   cpu.stat
[root@docker 0e81eb883eb7ea51eb2e324a2fb2b33aecd88e4a80bb328af7d9e53255f65513]# 

1、宿主机怎么提供资源、怎么控制docker容器中的应用的：

CPU —>VCPU–>以进程的方式体现在vorkstation环境（docker环境中）—》docker表现形式是容器
–>Vcpu以进程的方式控制容器–》容器中的应用需要的是服务进程支持–》宿主机内核中cpu可以被cgroup管理（通过
分配资源手段）–》linux 内核中的cgroup可以控制管理docker 容器中的应用

–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。

redis 中，用来表示的永久 -1
ttl teacher
-1
lrange teacher 0 -1

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）。

[root@localhost stress]# docker run -tid --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress

[root@localhost stress]# docker exec -it 98d2aaa50019 bash

[root@docker stress]# docker run -tid --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress
eedccddf00128f82fd1a9488a369310fc511bd16641140cac83094e42de0edc7
[root@docker stress]# docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE           COMMAND       CREATED              STATUS              PORTS     NAMES
eedccddf0012   centos:stress   "/bin/bash"   About a minute ago   Up About a minute             funny_thompson
[root@docker stress]# docker exec -it eedccddf0012 /bin/bash
[root@eedccddf0012 /]# cd /sys
[root@eedccddf0012 sys]# cd fs
[root@eedccddf0012 fs]# cd cgroup/
[root@eedccddf0012 cgroup]# ls
blkio        cpuacct  freezer  net_cls           perf_event
cpu          cpuset   hugetlb  net_cls,net_prio  pids
cpu,cpuacct  devices  memory   net_prio          systemd
[root@eedccddf0012 cgroup]# cd cpu
[root@eedccddf0012 cpu]# ls
cgroup.clone_children  cpu.cfs_quota_us   cpu.stat              notify_on_release
cgroup.event_control   cpu.rt_period_us   cpuacct.stat          tasks
cgroup.procs           cpu.rt_runtime_us  cpuacct.usage
cpu.cfs_period_us      cpu.shares         cpuacct.usage_percpu
[root@eedccddf0012 cpu]# cat cpu.cfs_period_us 
100000
[root@eedccddf0012 cpu]# cat cpu.cfs_quota_us  
200000

###查询容器的资源限制参数

2、在指定容器目录中

[root@98d2aaa50019 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/容器ID/cpu.cfs_period_us
100000

[root@98d2aaa50019 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/容器ID/cpu.cfs_quota_us
200000

3、使用docker inspect 容器ID/容器名

        "CpuPeriod": 100000,
        "CpuQuota": 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。

[root@docker stress]# docker run -tid --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress
f0cae1f99b32555e5f05114c0f2eb7d1020448043f26aede49f44e97996563c3
[root@docker stress]# docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE           COMMAND       CREATED          STATUS          PORTS     NAMES
f0cae1f99b32   centos:stress   "/bin/bash"   11 seconds ago   Up 10 seconds             cpu1
eedccddf0012   centos:stress   "/bin/bash"   35 minutes ago   Up 35 minutes             funny_thompson

[root@docker stress]# docker run -tid --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 cent
f0cae1f99b32555e5f05114c0f2eb7d1020448043f26aede49f44e97996563c3
[root@docker stress]# docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE           COMMAND       CREATED          STATUS         NAMES
f0cae1f99b32   centos:stress   "/bin/bash"   11 seconds ago   Up 10 seco     cpu1
eedccddf0012   centos:stress   "/bin/bash"   35 minutes ago   Up 35 minu     funny_thompson
[root@docker stress]# docker exec -it cpu1 /bin/bash -c "stress -c 10"
stress: info: [15] dispatching hogs: 10 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd

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：
[root@dockerstress]#cat/sys/fs/cgroup/cpuset/docker/f8481d4957529e5c9ed392d169c3dba0f076399bf46132e3073e8e10c7983ec4/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。

[root@localhost stress]# docker exec 631eea630b21 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

1、创建容器时 直接使用参数指定资源限制

2、创建容器后，指定资源分配
修改宿主机对应容器资源控制的文件
/sys/fs/cgroup/*

四、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

 [root@docker stress]#docker run -tid --name cpu512 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 5
a7eef4d2ff06a8df21067bee6ea0a67f2a9aecac0d89bae18faea13
[root@docker stress]# docker run -tid --name cpu1024 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 5
e8c15f5611063f12c72b4c057d6bfa6359352aae562eee168f966abff6389d75
[root@docker stress]# docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE           COMMAND         CREATED              STATUS              PORTS     NAMES
e8c15f561106   centos:stress   "stress -c 5"   13 seconds ago       Up 12 seconds                 cpu1024
45025186b16e   centos:stress   "stress -c 5"   About a minute ago   Up About a minute             cpu3
eedccddf0012   centos:stress   "/bin/bash"     About an hour ago    Up About an hour              funny_thompson

docker stats

[root@docker stress]# docker exec -it a7eef4d2ff06 bash
[root@a7eef4d2ff06 /]# exit
exit

[root@localhost stress]# top //记住按1查看每个核心的占用

Tasks: 172 total, 2 running, 170 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu0 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu2 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 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 : 7994072 total, 6394056 free, 450124 used, 1149892 buff/cache
KiB Swap: 4194300 total, 4194300 free, 0 used. 7174064 avail Mem

[root@localhost stress]# docker run -tid --name cpu4 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1

[root@localhost stress]# docker exec -it 0eed2c8a20df bash

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。

五、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。

[root@docker stress]# docker run -itd --name memory500 -m 300M --memory-swap=300M centos:stress 57b485df2c808a8924dfad36baedb0958334436b8176cf3d320cd8a58759d76f [root@docker stress]# docker ps -a CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES 57b485df2c80 centos:stress "/bin/bash" 8 seconds ago Up 6 seconds memory500 #单纯做swap和物理内存的硬限制

–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。

[root@docker stress]# docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 310M
Unable to find image 'progrium/stress:latest' locally
latest: Pulling from progrium/stress
Image docker.io/progrium/stress:latest uses outdated schema1 manifest format. Please upgrade to a schema2 image for better future compatibility. More information at https://docs.docker.com/registry/spec/deprecated-schema-v1/
a3ed95caeb02: Pull complete 
871c32dbbb53: Pull complete 
dbe7819a64dd: Pull complete 
d14088925c6e: Pull complete 
58026d51efe4: Pull complete 
7d04a4fe1405: Pull complete 
1775fca35fb6: Pull complete 
5c319e267908: Pull complete 
Digest: sha256:e34d56d60f5caae79333cee395aae93b74791d50e3841986420d23c2ee4697bf
Status: Downloaded newer image for progrium/stress:latest
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 [8] forked
stress: dbug: [8] allocating 325058560 bytes ...
stress: dbug: [8] touching bytes in strides of 4096 bytes ...
stress: FAIL: [1] (416) <-- worker 8 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 1s

六、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。

[root@docker stress]#  docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
[root@350e948a790a /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
600

[root@localhost docker]# docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress
[root@9f5062a35cec /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
300

七、bps 和 iops 的限制

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。

[root@localhost docker]# docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress

[root@96a5d7c68b96 /]# dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct //可以按ctrl+c中断查看
906+0 records in
906+0 records out
950009856 bytes (950 MB) copied, 181.202 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。

[root@localhost docker]# docker run -it centos:stress

[root@10531445df8d /]# 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

构建镜像（docker build）时指定资源限制
–build-arg=[] : 设置镜像创建时的变量；
–cpu-shares : 设置 cpu 使用权重；
–cpu-period : 限制 CPU CFS周期；
–cpu-quota : 限制 CPU CFS配额；
–cpuset-cpus : 指定使用的CPU id；
–cpuset-mems : 指定使用的内存 id；
–disable-content-trust :忽略校验，默认开启；
-f : 指定要使用的Dockerfile路径；
–force-rm : 设置镜像过程中删除中间容器；
–isolation : 使用容器隔离技术；
–label=[] : 设置镜像使用的元数据；
-m : 设置内存最大值；
–memory-swap : 设置Swap的最大值为内存+swap，"-1"表示不限swap；
–no-cache : 创建镜像的过程不使用缓存；
–pull : 尝试去更新镜像的新版本；
–quiet, -q : 安静模式，成功后只输出镜像 ID；
–rm : 设置镜像成功后删除中间容器；
–shm-size : 设置/dev/shm的大小，默认值是64M；
–ulimit : Ulimit配置。
–squash : 将 Dockerfile 中所有的操作压缩为一层。
–tag, -t: 镜像的名字及标签，通常 name:tag 或者 name 格式；可以在一次构建中为一个镜像设置多个标签。
–network: 默认 default。在构建期间设置RUN指令的网络模式

小结

1、资源限制的主要类型

1、CPU 权重shares、quota、cpuset
2、磁盘 BPS、TPS限制，指定使用哪个磁盘、磁盘分区
3、内存 -m -swap 内存、交换分区
大部分做的是上限的限制

2、资源限制的几种方式

1、build 构建镜像时，可以指定该镜像的资源限制
2、run 将镜像跑为容器的时候，可以指定容器的资源限制
3、容器启动之后， 可以在宿主机对应容器的目录下。修改资源限制，然后重载
/sys/fs/cgroup/*(cpu、blk、mem）/docker/容器ID/ —>修改对应的资源限制文件参数就可以

3、资源限制的状态查询

（1）、docker inspect 镜像ID/容器ID

（2）、直接查看宿主机对应容器ID资源限制的文件

cgroup 资源 docker 原理之一 ，namespaces 6个名称空间

docker inspect ### 可以查看docker里面有多少个容器