啃Docker之Docker资源控制（Cgroup资源配置方法）

前言

默认情况下容器是没有资源限制的，因为它本身就是一个进程，当一个容器占用太多资源的话，会对其他容器产生影响，所以 ，合理应该分配容器资源是作为管理员必须要关注的问题。

一：Cgroup资源分配

1.1：为什么容器要做资源分配？

• 虚拟机在创建的时候就已经做了资源分配，（虚拟CPU，虚拟内存，虚拟磁盘等）

• 容器是共享内核资源的，所以需要用Cgroup资源分配，参照因素是往年的监控系统中服务的吞吐量，和资源数据，资源耗用情况来分配

1.2：Cgroup概述

• 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的控制

• Cgroup是Control Groups的缩写，是Linux内核提供的一种限制，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，这些具体的资源管理功能称为Cgroup子系统，有以下几个大子系统实现：

  • Blkio:设置限制每个存储块设备的管理（硬盘等）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

1.2：使用stress压力测试工具来测试CPU和内存使用状况

1.2.1：stress工具介绍

stress 是Unix类系统下的工作量和压力测试工具。它将对用户指定的CPU数量的I/O，内存和硬盘的负载并报告它检测到任何错误。它用于自动压力测试和调试系统组件失败的唯一或更经常负荷时。它可以运行在x86，ppc64的，和PPC 32 GNU / Linux的，Tru64的，SPARC Solaris的，和其他平台

1.2.2：操作步骤

• 使用Dockerfile来创建一个基于centos的stress工具镜像

[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# iptables -F
[root@localhost ~]# systemctl start docker  '开启docker功能'
[root@localhost opt]# mkdir /opt/stress  '在/opt目录下创建一个stress目录'
[root@localhost stress]# cd /opt/stress/
[root@localhost stress]# vim Dockerfile   '创建stress的镜像'
FROM centos:7   '基于Centos:7的镜像'
MAINTAINER This is cai  '描述信息'
RUN yum -y install wget  '安装wget下载工具'
RUN wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo  '去阿里云官网配置yum源'
RUN yum -y install stress  ##安装stress
[root@localhost stress]# docker build -t centos:stress .   '创建镜像'

• 创建容器，–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@localhost stress]# docker run -itd --cpu-shares 100 centos:stress

• 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：如果两个容器A B的CPU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时间篇的。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，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

• 运行容器 容器名字为cpu512 ；–cpu-shares 512权重是512；镜像为centos:stress； stress -c 10:分配10个子进程

[root@localhost stress]# docker run -itd --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10 #容器产生10个子函数进程
[root@localhost stress]# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
2f1330d9cf4b        centos:stress       "stress -c 10"      22 sec
[root@localhost stress]# docker exec -it 2f1330d9cf4b bash  进入容器使用户top查看CPU使用情况
'CPU的占用率大概在40%左右，跑了10个进程'

• 这时再打开一个终端，将权重设置为1024，查看区别

[

root@localhost ~]# docker run -itd --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10
2ea71fafe6df1295294ccfa895d03973eedb49865a34ac9a0b6592ec021d37bf
[root@localhost ~]# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
2ea71fafe6df        centos:stress       "stress -c 10"      8 seconds ago       Up 7 seconds                            cpu1024
2f1330d9cf4b        centos:stress       "stress -c 10"      4 minutes ago       Up 4 minutes                            cpu512
[root@localhost ~]# docker exec -it 2ea71fafe6df bash
[root@2ea71fafe6df /]# top   
'按1查看几个CPU的情况'
'发现cpu1024容器的CPU占用率大概在25%左右'

• 这时再回到cpu512容器这边，发现cpu的占用率为1024的一半 1:2的比例，说明权重设置成功

二：CPU的周期限制

• 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的单位是微秒。cpu-period的最小值为1000微妙，最大值为1秒，默认值为0.1秒

• 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(0.1秒)，cpu-quota设置为200000（0.2秒），也就是说，0.2秒代表要使用2个核心数资源，当把一个0.1秒的核心数用完，还有0.1秒的就需要找另一个核心数去完成

2.1：操作步骤

• 运行容器，设置cpu为0.1秒刷新时间，占用总资源配额的是0.2秒

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

• 进入容器查看刷新周期和创建的配额值

[root@localhost stress]# docker run -tid  --cpu-period  100000   --cpu-quota 200000 centos:stress
8ef8b10290ff87e6f455ab6faed35d6667e8f087ca41f3b019f12cbe95427133
[root@localhost stress]# docker ps -a
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED              STATUS                       PORTS               NAMES
8ef8b10290ff        centos:stress       "/bin/bash"         About a minute ago   Up About a minute   
[root@localhost stress]# docker exec -it 8ef8b10290ff bash
[root@8ef8b10290ff /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us
100000				'刷新周期为0.1秒'
[root@8ef8b10290ff /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us
200000				'可以使用两个CPU资源'

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，可以对需要提供性能计算的容器进行性能最优的配置

3.1：实操步骤

• 运行容器；容器名为cpu1 用到的核心数是0和1

[root@localhost stress]# docker run -itd --name cpu01 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress
c07d9999818631cae0d2ee608e9d849316c87842b631ba04f57aae5d3026ef65
[root@localhost stress]# docker ps 
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
c07d99998186        centos:stress       "/bin/bash"         9 seconds ago       Up 8 seconds                            cpu01
[root@localhost stress]# docker exec -it c07d99998186 bash
[root@c07d99998186 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
0-1

• 通过下面的指令可以查看容器中进程与CPU内核的绑定关系，达到绑定CPU内核的目的

[root@localhost stress]# docker exec c07d99998186 taskset -c -p 1
pid 1's current affinity list: 0,1		''PID进程绑定到0和1上面'

• 这时进入容器，让他跑10个线程，查看cpu0和1是否满载

[root@localhost stress]# docker exec -it c07d99998186 bash
[root@c07d99998186 /]# stress -c 10				'分配10个子进程'
'发现0和1的核心数满载，证明是绑定在0和1的核心数上'
[root@c07d99998186 /]# top

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，他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内核才能方便进行测试

4.1：实操步骤

• 运行容器，容器名为cpu3；指定运行的核心数是1核心数，指定1个子进程

[root@localhost stress]# docker run -itd --name cpu3 --cpuset-cpus 1 centos:stress stress -c 1
32768c29c1fefff5c41556f6cbbfcc857eaadc177ed2654bec36048371db3b17
[root@localhost stress]# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
32768c29c1fe        centos:stress       "stress -c 1"       6 seconds ago       Up 5 seconds                            cpu3
[root@localhost stress]# docker exec -it 32768c29c1fe bash
[root@32768c29c1fe /]# top

五：内存限额

• 与操作系统类似，容器可使用的内存包括两个部分：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：设置物理内存的使用限额，例如100M；1024M
  • –memory-swap：设置 内存+swap的使用限额

5.1：实操步骤

• 执行如下命令允许该容器最多使用200M内存和300M的swap

• –vm1:启动1个内存工作线程

• –vm-bytes 280M:每个线程分配280M内存（物理内存只有200M，所以会去借80M的虚拟内存，但是总内存数不能超过300M）

• 镜像名为：progrium/stress

[root@localhost ~]# docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 280M

• 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，容器会退出

[root@localhost ~]# docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 310M  '设置的内存超过限额300M'

• 总结：物理内存资源小于等于（不能超过）内存+swap的使用限额

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

6.1：实操步骤

• 设置容器A的磁盘读写权重为600

[root@localhost ~]# docker run -itd --name conA --blkio-weight 600 centos:stress
'进入容器查看设置情况'
[root@localhost stress]# docker exec -it 7b9d53a062fb bash
[root@7b9d53a062fb /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
600				'设置的值为600'

• 这时在运行一个设置权重值为500，查看情况

[root@localhost stress]# docker run -itd --name conB --blkio-weight 500 centos:stress
fba42cee52fd4892b731bfefb6aa2d894e18747e72fcd79b50a0ba03c8893832
[root@localhost stress]# docker ps -a | grep conB
fba42cee52fd        centos:stress       "/bin/bash"              12 seconds ago       Up 11 seconds 
[root@localhost stress]# docker exec -it fba42cee52fd bash
[root@fba42cee52fd /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
500

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

• 可通过以下的参数控制容器的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

7.1：实操步骤

• 将容器的sda系统盘的读写速率设置为5MB/s

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

• 进入容器写入1GB的文件，查看读写的速率

[root@455af49f49b7 /]# dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct

• 这时退出容器，重新创建容器不限速，查看读写速率

[root@455af49f49b7 /]# exit  '退出容器'
exit
[root@localhost ~]# docker run -it centos:stress   '不限速，运行容器'
[root@9e6875fda3e8 /]# 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, 0.980528 s, 1.1 GB/s  ##发现不限速的读写速率是1.1GB/s