Docker——Cgroup资源控制

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一、Cgroup 简介

• 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

• 每个容器都相当于一个进程

二、CPU 资源配置

1. 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

1.1 使用 dockerfile 来创建一个基于centos的stress工具镜像

mkdir /opt/stress
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

docker build -t centos:stress .									#生成镜像，注意后的.

1.2 创建容器，并给其分配权重

• 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 ，特也可以独占整个主机的CPU资源
• 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，资源分配的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。

docker run -itd --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10	  #容器产生10个子函数进程，权重512

docker run -itd --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10   #权重1024

#重新开一个终端
docker stats																  #动态监控资源使用

2.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。
--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。

2.1 宿主机怎么提供资源、控制容器中的应用？

• 物理 cpu 以虚拟化的方式模拟出一个虚拟cpu（vcpu），vcpu以进程的方式体现在workstation环境( docker环境中），docker引擎表现形式就是容器，vcpu就会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（通过分配资源手短），linux内核中的cgroups就可以直接控制 vcpu 的资源分配管理docker容器的，所以也可以认为cgroups 在直接 / 间接管理docker容器中的应用
• --cpu-quota 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-guota的单位为微秒(us)。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。

2.2 周期限制

• 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 s）
• 当然，在多核情况下，如果允许容器进程完全占用两个ceU，则可以将cpu-period设置为100000 (即 0.1秒)，cpu-quota 设置为 200000 （0.2 s）

docker run -itd --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress

docker exec -it 570ce6253626 bash
cd /sys/fs/cgroup/cpu									#查看资源限制参数
cat cpu.cfs_period_us
cat cpu.cfs_quota_us

#也可以下面操作来查看
docker inspect 570ce6253626

3.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。

• 指定 cpu

docker run -itd --name cpu01 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress

#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:
cat /sys/fs/cgroup/cpuset/docker/b62061c278e626f5d9ac18082f83c21630e8394c790a6cc1e5a3a338db8f66b2/cpuset.cpus 

docker exec -it cpu01 bash -c "stress -c 10"	//压力测试，增加10个cpu进程

• 运行中的容器指定cpu

docker exec 2f49de83ec26（容器ID） 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

4. 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

docker run -tid --name cpu3 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1

docker exec -it cpu3 bash									#进入容器内部查看
top

• 容器外 top（按1查看每个核心的占用）

• 再开一个容器与上面做对比

docker run -tid --name cpu4 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1

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。

三、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。

• 限制容器最大内存为1g

docker run -itd --name test1 -m 1g centos:stress bash

docker stats

• 限制 swap 交换空间大小

#给与容器300M物理内存以及700M交换空间
docker run -itd --name test2 -m 300m --memory-swap=1G centos:7 bash

四、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。

#限制容器 A 读写磁盘的带宽是容器 B 的两倍。
docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight

docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress 
cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight

五、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。

• 限制容器写 /dev/sda 的速率为 5 MB/s。

docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress
dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct   	//按ctrl+c中断查看

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。

六、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

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总结：

• 一、资源限制的主要类型

1. CPU 权重shares、quota、cpuset（周期cpu-period）
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

• 二、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(容器资源限制目录下进行限制)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

• 三、资源限制的状态查询

1. docker inspect 镜像ID/容器ID docker stats
2. 直接查看宿主机对应容器ID资源限制的文件
3. cgroup 资源 docker 原理之一 ，namespaces 6个名称空间