Docker资源控制的Cgroup参数使用

一、Cgroup简介

• 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，被LXC、docker等很多项目用于实现进程资源控制。

• Cgroups提供了以下功能：

1、限制进程组可以使用的资源数量（Resource limiting ）。比如：memory子系统可以为进程组设定一个memory使用上限，一旦进程组使用的内存达到限额再申请内存，就会触发OOM（out of memory）。

2、进程组的优先级控制（Prioritization ）。比如：可以使用cpu子系统为某个进程组分配特定cpu share。

3、记录进程组使用的资源数量（Accounting ）。比如：可以使用cpuacct子系统记录某个进程组使用的cpu时间

4、进程组隔离（Isolation）。比如：使用ns子系统可以使不同的进程组使用不同的namespace，以达到隔离的目的，不同的进程组有各自的进程、网络、文件系统挂载空间。

5、进程组控制（Control）。比如：使用freezer子系统可以将进程组挂起和恢复。

[root@master tls]# cat /proc/cgroups 
#subsys_name    hierarchy       num_cgroups     enabled
cpuset  4       1       1
cpu     6       85      1
cpuacct 6       85      1
memory  7       85      1
devices 10      85      1
freezer 9       1       1
net_cls 5       1       1
blkio   3       85      1     
perf_event      8       1       1
hugetlb 11      1       1
pids    2       1       1
net_prio        5       1       1

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。
CPU：使用调度程序为cgroup任务提供CPU的访问。
cpuacct：产生cgroup, 任务的CPU资源报告
memory: 设置每个cgroup 的内存限制以及产生内存资源报告。
devices：允许或拒绝cgroup任务对设备的访问。
freezer：暂停和恢复cgroup任务。
net_cls: 标记每个网络包以供cgroup 方便使用。
blkio：设置限制每个块设备的输入输出控制。例如:磁盘，光盘以及usb 等等。
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。

二、基于Dockerfile创建安装stress镜像

stress是用来测试cpu内存的负载，通过在两个容器分别执行stress -c 1，这将会给系统一个随机负载，产生一个进程,这个进程会反复不停地计算由rand（）产生地随机数的平方根，直到资源耗尽。

首先使用Dockerfile创建一个基于centos的stress的工具镜像

[root@master tls]# mkdir /stress
[root@master tls]# cd /stress/
[root@master stress]# vi Dockerfile   #文件内容在下图中

//安装镜像
[root@master stress]# docker build -t centos:stress .  
[root@master stress]# docker images
REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
centos              stress              d5b03b3a7589        2 minutes ago       466MB
nginx               latest              602e111c06b6        2 days ago          127MB
centos              7                   5e35e350aded        5 months ago        203MB    

三、创建容器的CPU权重控制

• 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cpu的加权效果才能体现出现。

• 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，但是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一定能够获得cpu的时间片。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，例如主机上只运行的一个容器，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只在容器分配的资源紧缺时，即需要对容器使用的资源进行限制时，才会生效。因此，无法单纯的根据某个容器的份额的cpu份额来确定有多少cpu资源分配给它，可以通过cpu share参数可以设置容器使用cpu的优先级，比如启动了两个容器及运行查看cpu的cpu的使用百分比

• 创建两个容器，分别制定不同的权重比

// --cpu-shares 指定使用cpu的权重
// stress -c 指定产生子进程的个数
[root@master ~]# docker run -itd --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10
[root@master ~]# docker run -itd --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10

[root@master ~]# docker ps -a    #查看容器
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
f68bc1d06b72        centos:stress       "stress -c 10"      10 seconds ago      Up 8 seconds                            cpu1024
ab0e0020144b        centos:stress       "stress -c 10"      6 minutes ago       Up 6 minutes                            cpu512

##进入容器使用top命令查看cpu的使用率
[root@master ~]# docker exec -it cpu512 bash
[root@ab0e0020144b /]# top

[root@master ~]# docker exec -it cpu1024 bash
[root@f68bc1d06b72 /]# top

分别进入cpu512和cpu1024之后可以看到，%cpu的比例差不多是1：2，符合我们设置的–cpu-shares参数。

四、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cpu的时钟周期。

// --cpu-period是用来指定容器对于cpu的使用要在多长时间内重新分配一次
// --cpu-quota是用来指定在这个周期内，最多可以有多少时间跑这个容器，
   与--cpu-shares（权重）不同的是，这种配置指定一个绝对值，容器对cpu资源使用绝对不会超过配置的值。

• cpu-peiod和cpu-quota参数一般联合使用。
• 例如：容器进程需要每一秒钟使用单个cpu的0.2时间，可以将 --cpu-period设置为1000000（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）

//设置 --cpu-period为0.1秒，--cpu-quota为0.2秒
[root@master ~]# docker run -itd --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress 
7fc4d48428fa3fc7527e7ece2f504307f13d83414e3714aa187d86356ba596d2

[root@master ~]# docker ps -a    #查看容器ID号
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS                        PORTS               NAMES
7fc4d48428fa        centos:stress       "/bin/bash"         12 seconds ago      Up 11 seconds                                     priceless_bell
f68bc1d06b72        centos:stress       "stress -c 10"      28 minutes ago      Exited (137) 18 minutes ago                       cpu1024
ab0e0020144b        centos:stress       "stress -c 10"      35 minutes ago      Exited (137) 18 minutes ago                       cpu512

[root@master ~]# docker exec -it 7fc4d48428fa bash        #使用ID号进入容器

//查看容器cgroup参数
[root@7fc4d48428fa /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us    
100000
[root@7fc4d48428fa /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us  
200000

五、cpu core控制

• 对于多核cpu的服务器，docker还可以控制容器运行使用那些cpu内核，以及使用–cpuset-cpus参数，这对于具有多cpu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。

//执行以下命令需要宿主机为双核，表示创建的容器只能使用0、1两个内核，最终生成cgroup的cpu内核配置如下：

[root@master ~]# docker run -itd --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress 
1c2e16cd9d63cf4e429b91cb41a357a91b03287234b9e123966e3871113d5ce2
[root@master ~]# docker ps -a
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS                        PORTS               NAMES
1c2e16cd9d63        centos:stress       "/bin/bash"         9 seconds ago       Up 9 seconds                                      cpu1
 
[root@master ~]# docker exec -it cpu1 bash
[root@1c2e16cd9d63 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
0-1
 
//通过下列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@master ~]# docker exec -it 1c2e16cd9d63 taskset -c -p 1    #容器内部的第一个进程号pid为1，被绑定到指定到的cpu上运行
pid 1's current affinity list: 0,1

六、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使用cpu内核1。
  在主机上只有这个两个容器使用对应的cpu内核情况，它们各自占用全部的内核资源，cpu-shares没有明显的效果。
• cpuset-cpus、cpuset-mems参数只在多核、内存节点上服务器有效，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

//宿主机系统修改为4核心
[root@master ~]# docker run -itd --name cpu2 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1
[root@master ~]# docker run -itd --name cpu3 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1

 ##分别进入cpu2和cpu3查看cpu使用率，有下面数据可知，cpu1和3使用率达到了100%，权重对它们没有影响
[root@master ~]# docker exec -it cpu2 bash
[root@be8bf29e69a8 /]# top

[root@master ~]# docker exec -it cpu3 bash
[root@152fde97b135 /]# top

七、内存限制

• 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
  容器通过 -m或–memory设置内存的使用限额，例如：-m 300M；通过–memory-swap设置内存+swap的使用限额

• 实例如下，允许容器最多使用200M的内存和300M的swap

[root@master ~]#  docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 280M
// --vm 1 ，代表启动一个内存工作线程
// --vm-bytes 280 M ，代表每个线程可以分配280M内存

• 默认情况下，容器可以使用主机上的所有空闲内存。
  上述配置与cpu的cgroup的配置类似，Docker会自动为容器目录/sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器ID> 中创建相应的cgroup的配置文件
  
  注：如果分配的内存超过限额，stress线程就会报错，容器会自动退出
  

八、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。

[root@master ~]# docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress   #指定权重600
[root@c21c48529aed /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
600
[root@c21c48529aed /]# exit
exit
[root@master ~]# docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress   #指定权重值300
[root@a2a8cb6ddecc /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
300

九、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@master ~]# docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress 
[root@da0e26f19149 /]# 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。

结果表明限速5MB/s 左右。作为对比测试，创建一个普通容器，没有做限速，查看其写速度。

[root@master ~]# docker run -it centos:stress 
[root@c157255f82d9 /]# dd if=/dev/zero of=test2 bs=1M count=1024 oflag=direct   

在多个容器运行时，必须使用上述的参数设置优化，不能把所有的资源给其中一个容器，会造成资源浪费，容器不稳定。