一文带你彻底搞懂Docker中的cgroup的具体使用

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前言

进程在系统中使用CPU、内存、磁盘等计算资源或者存储资源还是比较随心所欲的，我们希望对进程资源利用进行限制，对进程资源的使用进行追踪。这就让cgroup的出现成为了可能，它用来统一将进程进行分组，并在分组的基础上对进程进行监控和资源控制管理。

什么是cgroup

Linux CGroup(Linux Contral Group)，它其实是Linux内核的一个功能，它是Linux下的一种将进程按组进行管理的机制。最开始是由Google工程师Paul Menage和Rohit Seth于2006年发起的，最早起名叫进程容器。在2007之后随着容器得提出，为了避免混乱重命名为cgroup，并且被合并到了内核2.6.24版本中去了。
在用户层看来，cgroup技术就是把系统中的所有进程组织成一颗一颗独立的树，每棵树都包含系统的所有进程，树的每个节点是一个进程组，而每颗树又和一个或者多个subsystem关联。树主要用来将进程进行分组，而subsystem用来对这些组进行操作。

cgroup的组成

cgroup主要包含以下两个部分

subsystem：一个subsystem就是一个内核模块，它被关联到一颗cgroup树之后，就会在树节点进行具体的操作。subsystem经常被称作"resource controller"，因为它主要被用来调度或者限制每个进程组的资源，但是这个说法不完全准确，因为有时我们将进程分组只是为了做一些监控，观察一下他们的状态，比如perf_event subsystem。
hierarchy：一个hierarchy可以理解为一棵cgroup树，树的每个节点就是一个进程组，每棵树都会与多个subsystem关联。在一颗树里面，会包含Linux系统中的所有进程，但每个进程只能属于一个节点（进程组）。系统中可以有很多颗cgroup树，每棵树都和不同的subsystem关联，一个进程可以属于多颗树，即一个进程可以属于多个进程组，这些进程组和不同的subsystem关联。

可以通过查看/proc/cgroup目录查看当前系统支持哪些subsystem关联

第一列：表示subsystem名

第二列：表示关联到的cgroup树的ID，如果多个subsystem关联到同一颗cgroup树，那么它们的这个字段将一样。比如图中的cpuset、cpu和cpuacct。

第三列：表示subsystem所关联的cgroup树中进程组的个数，即树上节点的个数。

cgroup提供的功能

它提供了如下功能

Resource limitation:资源使用限制
Prioritization:优先级控制
Accounting:一些审计或者统计
Control:挂起进程，恢复执行进程

一般我们可以用cgroup做以下事情

隔离一个进程集合（比如MySQL的所有进程），限定他们所占用的资源，比如绑定的核限制
为这组进程分配内存
为这组进程的分配足够的带宽及进行存储限制
限制访问某些设备

cgroup在Linux中表现为一个文件系统，运行如下命令

mount成功后，可以看到，在/sys/fs下有个cgroup目录,这个目录下有很多子系统。比如cpu、cpuset、blkio等。
然后在/sys/fs/cgroup/cpu目录下建个子目录test,这个时候会发现在该目录下多了很多文件

限制cgroup中的CPU

在cgroup里面，跟CPU相关的子系统有cpusets、cpuacct和cpu。
其中cpuset主要用于设置CPU的亲和性，可以限制cgroup中的进程只能在指定的CPU上运行，或者不能在指定的CPU上运行，同时cpuset还能设置内存的亲和性。cpuacct包含当前cgroup所使用的CPU的统计信息。这里我们只说以下cpu。

然后我们在/sys/fs/cgroup/cpu下创建一个子group, 该目录下文件列表

cpu.cfs_period_us用来配置时间周期长度，cpu.cfs_quota_us用来配置当前cgroup在设置的周期长度内所能使用的CPU时间数，两个文件配合起来设置CPU的使用上限。两个文件的单位都是微秒（us），cpu.cfs_period_us的取值范围为1毫秒（ms）到1秒（s），cpu.cfs_quota_us的取值大于1ms即可。
下面来举个例子讲解如何使用cpu限制
假如我们写了一个死循环

运行起来用top查看下占用率达到了100%

我们执行如下命令对cfs_quota_us进行设置

echo 20000 > /sys/fs/cgroup/cpu/test/cpu.cfs_quota_us

这条命令表示把进程的CPU利用率下降20%，然后把进程PID加入到cgroup中

再执行top可以看到cpu利用率下降了

限制cgroup中的内存

代码如果有bug，比如内存泄露等会榨干系统内存，让其它程序由于分配不了足够的内存而出现异常，如果系统配置了交换分区，会导致系统大量使用交换分区，从而系统运行很慢。
而cgroup对进程内存控制主要控制如下：

限制cgroup中所有进程使用的内存总量
限制cgroup中所有进程使用的物理内容+swap交换总量
限制cgroup中所有进程所能使用的内核内存总量及其它一些内核资源(CONFIG_MEMCG_KMEM)。

这里限制内核内存就是限制cgroup当前所使用的内核资源，包括当前进程的内核占空间，socket所占用的内存空间等。当内存吃紧时，可以阻止当前cgroup继续创建进程以及向内核申请分配更多的内核资源。

下面通过一个例子带大家理解cgroup做内存控制的

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define CHUNK_SIZE 512


int main()
{
   int size = 0;
   char *p = nullptr; 
   while(1)
   {
          if((p = (char*)malloc(CHUNK_SIZE))==nullptr)
          {
              break;
         }

      memset(p, 0, CHUNK_SIZE);
       printf("[%u]-- [%d]MB is allocated ", getpid(), ++size);
       sleep(1);
   }
    
   return 0;
}

首先，在/sys/fs/cgroup/memory下创建一个子目录即创建了一个子cgroup，比如这里我们创建了一个test目录

$mkdir /sys/fs/cgroup/memory/test

test目录包含以下文件

每个文件的作用大概介绍下：

文件	说明
cgroup.event_control	用于eventfd的接口
memory.usage_in_bytes	显示当前已用的内存
memory.limit_in_bytes	设置/显示当前限制的内存额度
memory.failcnt	显示内存使用量达到限制值的次数
memory.max_usage_in_bytes	历史内存最大使用量
memory.soft_limit_in_bytes	设置/显示当前限制的内存软额度
memory.stat	显示当前cgroup的内存使用情况
memory.use_hierarchy	设置/显示是否将子cgroup的内存使用情况统计到当前cgroup里面
memory.force_empty	触发系统立即尽可能的回收当前cgroup中可以回收的内存
memory.pressure_level	设置内存压力的通知事件，配合cgroup.event_control一起使用
memory.swappiness	设置和显示当前的swappiness
memory.move_charge_at_immigrate	设置当进程移动到其他cgroup中时，它所占用的内存是否也随着移动过去
memory.oom_control	设置/显示oom controls相关的配置
memory.numa_stat	显示numa相关的内存

然后通过写文件memory.limit_in_bytes来设置限额。这里设置5M的限制，如下图所示

把上面示例进程加入这个cgroup，如下图所示

为了避免受swap空间的影响，设置swappiness为0来禁止当前cgroup使用swap，如下图所示

当物理内存达到上限后，系统的默认行为是kill掉cgroup中继续申请内存的进程。那么怎么控制这个行为呢？那就是配置memory.oom_control。这个文件里面包含了一个控制是否为当前cgroup启动OOM-killer的标识。如果写0到这个文件，将启动OOM-killer，当内核无法给进程分配足够的内存时，将会直接kill掉该进程；如果写1到这个文件，表示不启动OOM-killer，当内核无法给进程分配足够的内存时，将会暂停该进程直到有空余的内存之后再继续运行；同时，memory.oom_control还包含一个只读的under_oom字段，用来表示当前是否已经进入oom状态，也即是否有进程被暂停了。还有一个只读的killed_oom字段，用来表示当前是否有进程被kill掉了。

限制cgoup的进程数

cgroup中有一个subsystem叫pids，功能是限制cgroup及其所有子孙cgroup里面能创建的总的task数量。这里的task指通过fork和clone函数创建的进程，由于clone函数也能创建线程，所以这里的task也包含线程。
之前cgroup树是已经挂载好的，这里就直接创建子cgroup，取名为test。命令如下图所示

再来看看test目录下的文件

其中pids.current表示当前cgroup和其所有孙子cgroup现有的总的进程数量。

pids.max 当前cgroup和其所有孙子cgroup所允许创建的最大进程数量。

下面我们做个实验，将pids.max设置为1

然后将当前bash进程加入到该cgroup中

随便运行一个命令，由于在当前窗口pids.current已经等于pids.max了，所以创建进程失败

当前cgroup中的pids.current和pids.max代表了当前cgroup及所有子孙cgroup的所有进程，所以子孙cgroup中的pids.max大小不能超过父cgroup中的大小，如果超过了会怎么样？我们把pids.max设置为3

当前进程数为2

重新打开一个shell窗口，创建个孙子cgroup，将其中的pids.max设置为5

讲当前shell的bash进程写入croup.procs

回到原来的shell窗口随便执行一条命令可以看到执行失败

可以看到，子cgroup中的进程数不仅受制与自己的pids.max，还受制于祖先cgroup的pids.max