稚嫩的魔法師 ·容器核心技術(shù)–CGroup
接上一個小節(jié)，我們來試想這樣一個場景：
一臺宿主機(jī)的容器中運行了一個監(jiān)控服務(wù)，但監(jiān)控服務(wù)占用了宿主機(jī)全部的 CPU 和內(nèi)存等資源，導(dǎo)致宿主機(jī)上的其他服務(wù)和容器都被卡死，無法正常運行。
監(jiān)控類服務(wù)不應(yīng)占用大量資源，無論是什么原因引起的問題，都不應(yīng)該影響宿主機(jī)的正常使用，否則容器的隔離就沒有意義。Namespace 只能做到系統(tǒng)資源維度的隔離，無法做到硬件資源的控制。我們需要使用一種機(jī)制 Cgroup，指定容器應(yīng)用最大占用多少資源。
Linux cgroups 的全稱是 Linux Control Groups，它是 Linux 內(nèi)核的特性，主要作用是限制、記錄和隔離進(jìn)程組（process groups）使用的物理資源（CPU、Memory、IO 等）。
1. CGroup 核心概念
前面說過 CGroup 是用來對進(jìn)程進(jìn)行資源管理的，因此 CGroup 需要考慮如何抽象這兩種概念：進(jìn)程和資源，同時如何組織自己的結(jié)構(gòu)。CGroup 機(jī)制中有以下幾個基本概念：
- task：任務(wù)，對應(yīng)于系統(tǒng)中運行的一個實體，下文統(tǒng)稱進(jìn)程；
- subsystem：子系統(tǒng)，具體的資源控制器（resource class 或者 resource controller），控制某個特定的資源使用；
- cgroup：控制組，一組任務(wù)和子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示對這些任務(wù)進(jìn)行怎樣的資源管理策略；
- hierarchy：層級樹，由一系列 CGroup 組成的樹形結(jié)構(gòu)。每個節(jié)點都是一個 CGroup ，CGroup 可以有多個子節(jié)點，子節(jié)點默認(rèn)會繼承父節(jié)點的屬性。系統(tǒng)中可以有多個 hierarchy。
Cgroup 機(jī)制非常復(fù)雜，上面的名詞了解就好，學(xué)習(xí) Docker 暫時還不需要深入研究它。
在 Linux 環(huán)境中，我們可以執(zhí)行 ls -al /sys/fs/cgroup/ 查看當(dāng)前系統(tǒng)的 Cgroup：
我們看到目錄中有若干個子目錄，除了 systemd 目錄，其他的一個子目錄對應(yīng)一個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)功能如下所示。
| 子系統(tǒng) | 功能 |
|---|---|
| blkio | 為塊設(shè)備，如硬盤等設(shè)備，設(shè)定輸入輸出限制 |
| cpu | 設(shè)置 cgroup 中進(jìn)程的 CPU 被調(diào)度的策略 |
| cpuacct | 統(tǒng)計 cgroup 中進(jìn)程的 CPU 占用 |
| cpuset | 設(shè)置 cgroup 中進(jìn)程可以使用的 CPU 和內(nèi)存 |
| devices | 控制 cgroup 中進(jìn)程對設(shè)備的訪問 |
| freezer | 掛起或者恢復(fù) cgroup 中的進(jìn)程 |
| hugetlb | 用于控制 cgroup 中進(jìn)程的內(nèi)存占用，這是一個大頁文件系統(tǒng)。 |
| memory | 控制 cgroup 中進(jìn)程的內(nèi)存占用，并統(tǒng)計內(nèi)存資源使用情況。 |
| net_cls | 將 cgroup 中進(jìn)程產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)包分類，允許 Linux 流量控制系統(tǒng)識別從具體 cgroup 中生成的數(shù)據(jù)包。 |
| net_prio | 控制 cgroup 中進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)先級 |
| perf_event | 識別任務(wù)的 cgroup 成員，可以用來做性能分析 |
| pids | 限制 cgroup 及其所有子孫 cgroup 里面能創(chuàng)建的總的進(jìn)程數(shù)量 |
| rdma | 限制 RDMA/IB 資源 |
3. 演示：使用 Cgroup 限制進(jìn)程 CPU 資源占用
在上面的表格中， 你會發(fā)現(xiàn)大量出現(xiàn)Cgroup 中的進(jìn)程這個描述，原因在于我們必須先掛載子系統(tǒng)，將進(jìn)程納入 Cgroup 組規(guī)則中，然后 Cgroup 機(jī)制才能控制這個進(jìn)程。
我們馬上上手嘗試一下，先安裝stress
sudo dnf install https://download-ib01.fedoraproject.org/pub/epel/7/x86_64/Packages/s/stress-1.0.4-16
.el7.x86_64.rpm
Tips：我們使用stress 的軟件進(jìn)行壓力負(fù)載測試，stress 會根據(jù)設(shè)定，執(zhí)行一系列消耗系統(tǒng)資源的操作，使得系統(tǒng)在一定的負(fù)載下運行。
啟動一個壓力負(fù)載測試的進(jìn)程：
# 產(chǎn)生 1個進(jìn)程，每個進(jìn)程都反復(fù)不停地計算隨機(jī)數(shù)的平方根
stress -c 1 > /dev/null &
使用top 命令查看資源占用情況
圖中兩個紅框從左到右分別代表壓力測試的進(jìn)程號是 1816，CPU 占用百分比 99%，說明壓力測試進(jìn)程正常生效了。
切換到 root 用戶：
sudo su - root
進(jìn)入 /sys/fs/cgroup/cpu 這個目錄：
cd /sys/fs/cgroup/cpu
創(chuàng)建一個 Cgroup 組，即在當(dāng)前目錄下創(chuàng)建一個子目錄：
mkdir testcpu
進(jìn)入 testcpu 目錄：
cd testcpu
查看 cpu.cfs_period_us 代表時間周期總長度：
cat cpu.cfs_period_us # 100000
將 cpu.cfs_quota_us 設(shè)為當(dāng)前 cgroup 在設(shè)置的周期長度內(nèi)所能使用的 CPU 時間 10000，即總周期100000的 10%：
echo 10000 > cpu.cfs_quota_us
將壓力測試的進(jìn)程添加到 Cgroup 組的規(guī)則中，1816 是stress進(jìn)程 id：
echo 1816 > tasks
top 查看資源占用，發(fā)現(xiàn) stress 進(jìn)程的 CPU 占用率被壓到了 10%，說明 Cgroups 對于 CPU 的控制起了效果。
3. 思考
試想一下，我們將本節(jié)限制 CPU 資源的操作對象，從 stress 這個程序，改換成前一節(jié)的 container，就獲得了一個同時限制了硬件資源和系統(tǒng)資源的容器。
4. 小結(jié)
通過本節(jié)的介紹，我們對 Cgroup 有了直觀的認(rèn)知。Cgroup 是個非常強(qiáng)大的系統(tǒng)，容器技術(shù)需要使用它進(jìn)行資源的限制，但這不代表著 Cgroup 只能用于容器技術(shù)，比如在云服務(wù)商的計費系統(tǒng)中，也有它的身影。
或許你會感覺這一節(jié)與上一節(jié) Namespace 的內(nèi)容有些生僻，別擔(dān)心，我們介紹 Namespace 和 CGroup 的目的不是去精通他們的底層原理和使用方法，而是要真正認(rèn)識到：容器的本質(zhì)就是一個特殊的進(jìn)程。
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