cgroup 原理分析

Posted 2022-11-30 xinyuan_java

原文： https://blog.csdn.net/zhonglinzhang/article/details/64905759

一. cgroup 相关概念解释
 

Cgroups提供了以下功能：
限制进程组可以使用的资源（Resource limiting ）：比如memory子系统可以为进程组设定一个memory使用上限，进程组使用的内存达到限额再申请内存，就会出发OOM（out of memory）
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cpu share
 记录进程组使用的资源量（Accounting ）：比如使用cpuacct子系统记录某个进程组使用的cpu时间
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
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
CGroup的子系统
blkio -- 这个子系统为块设备设定输入/输出限制，比如物理设备（磁盘，固态硬盘，USB 等等）。
cpu -- 这个子系统使用调度程序提供对 CPU 的 cgroup 任务访问。
cpuacct -- 这个子系统自动生成 cgroup 中任务所使用的 CPU 报告。
cpuset -- 这个子系统为 cgroup 中的任务分配独立 CPU（在多核系统）和内存节点。
devices -- 这个子系统可允许或者拒绝 cgroup 中的任务访问设备。
freezer -- 这个子系统挂起或者恢复 cgroup 中的任务。
memory -- 这个子系统设定 cgroup 中任务使用的内存限制，并自动生成由那些任务使用的内存资源报告。
net_cls -- 这个子系统使用等级识别符（classid）标记网络数据包，可允许 Linux 流量控制程序（tc）识别从具体 cgroup 中生成的数据包。
ns -- 名称空间子系统
 

CGroup的术语
task：任务就是系统的一个进程
control group：控制族群就是按照某种标准划分的进程。Cgroups 中的资源控制都是以控制族群为单位实现。一个进程可以加入到某个控制族群，也从一个进程组迁移到另一个控制族群。一个进程组的进程可以使用 cgroups 以控制族群为单位分配的资源，同时受到 cgroups 以控制族群为单位设定的限制；
hierarchy：控制族群可以组织成 hierarchical 的形式，既一颗控制族群树。控制族群树上的子节点控制族群是父节点控制族群的孩子，继承父控制族群的特定的属性；
subsystem：一个子系统就是一个资源控制器，比如 cpu 子系统就是控制 cpu 时间分配的一个控制器。子系统必须附加（attach）到一个层级上才能起作用，一个子系统附加到某个层级以后，这个层级上的所有控制族群都受到这个子系统的控制。
相互关系
每次在系统中创建新层级时，该系统中的所有任务都是那个层级的默认 cgroup（我们称之为 root cgroup，此 cgroup 在创建层级时自动创建，后面在该层级中创建的 cgroup 都是此 cgroup 的后代）的初始成员；
一个子系统最多只能附加到一个层级；
一个层级可以附加多个子系统；
一个任务可以是多个 cgroup 的成员，但是这些 cgroup 必须在不同的层级；
系统中的进程（任务）创建子进程（任务）时，该子任务自动成为其父进程所在 cgroup 的成员。然后可根据需要将该子任务移动到不同的 cgroup 中，但开始时它总是继承其父任务的 cgroup。
 

    如图所示，CPU 和 Memory 两个子系统有自己独立的层级系统，而又通过 Task Group 取得关联关系

 

 

二. cgroup 工作原理
    2.1 cgroups如何判断资源超限及超出限额之后的措施
     内存memory子系统，mm_struct结构体激励所属的cgroup，当进程需要申请更多的内存时，就会触发cgroup用量检测，用量超过cgroup规定的限额，则拒绝用户的内存申请

   

 

三. cgroup 结构体分析
   task_struct 结构体
    从进程的角度出发来剖析 cgroups 相关数据结构之间的关系。在 Linux 中管理进程的数据结构是 task_struct。cgroup表示进程的行为控制.因为subsys必须要知道进程是位于哪一个cgroup，所以在struct task_struct和cgroup中存在一种映射

struct task_struct
    ……
    ……
#ifdef CONFIG_CGROUPS
    /* Control Group info protected by css_set_lock */
    struct css_set *cgroups;
    /* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */
    struct list_head cg_list;
#endif
    ……
    ……

      cgroups 指针指向了一个 css_set 结构，而css_set 存储了与进程有关的 cgroups 信息。cg_list 是一个嵌入的 list_head 结构，用于将连到同一个 css_set 的进程组织成一个链表。

     css_set结构体
refcount 是该 css_set 的引用数，因为一个 css_set 可以被多个进程公用，只要这些进程的 cgroups 信息相同，比如：在所有已创建的层级里面都在同一个 cgroup 里的进程
hlist 是嵌入的 hlist_node，用于把所有 css_set 组织成一个 hash 表，这样内核可以快速查找特定的 css_set
tasks 指向所有连到此 css_set 的进程连成的链表
cg_links 指向一个由 struct_cg_cgroup_link 连成的链表
Subsys 是一个指针数组，存储一组指向 cgroup_subsys_state 的指针。一个cgroup_subsys_state 就是进程与一个特定子系统相关的信息。通过这个指针数组，进程就可以获得相应的 cgroups 控制信息了。
struct css_set
  atomic_t refcount;
  struct hlist_node hlist;
  struct list_head tasks;
  struct list_head cg_links;
  struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
  struct rcu_head rcu_head;
;
 

  cgroup_subsys_state 代码
struct cgroup_subsys_state
  struct cgroup *cgroup;
  atomic_t refcnt;
  unsigned long flags;
  struct css_id *id;
;
 

    cgroup 指针指向了一个 cgroup 结构，也就是进程属于的 cgroup。进程受到子系统的控制，实际上是通过加入到特定的 cgroup 实现的，因为 cgroup 在特定的层级上，而子系统又是附和到上面的。通过以上三个结构，进程就可以和 cgroup 连接起来了：task_struct->css_set->cgroup_subsys_state->cgroup。

  cgroup结构体
sibling,children 和 parent 三个嵌入的 list_head 负责将统一层级的 cgroup 连接成一棵 cgroup 树。
subsys 是一个指针数组，存储一组指向 cgroup_subsys_state 的指针。这组指针指向了此 cgroup 跟各个子系统相关的信息
root 指向了一个 cgroupfs_root 的结构，就是cgroup 所在的层级对应的结构体。
struct cgroup
  unsigned long flags;
  atomic_t count;
  struct list_head sibling;
  struct list_head children;
  struct cgroup *parent;
  struct dentry *dentry;
  struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
  struct cgroupfs_root *root;
  struct cgroup *top_cgroup;
  struct list_head css_sets;
  struct list_head release_list;
  struct list_head pidlists;
  struct mutex pidlist_mutex;
  struct rcu_head rcu_head;
  struct list_head event_list;
  spinlock_t event_list_lock;
;
 

  cg_cgroup_link 代码
cgrp_link_list 连入到 cgrouo->css_set 指向的链表，cgrp 指向此 cg_cgroup_link 相关的 cgroup。
cg_link_list 连入到 css_set->cg_links 指向的链表，cg 指向此 cg_cgroup_link 相关的 css_set。
cgroup 和 css_set 是多对多的关系，须添加一个中间结构来将两者联系起来，这就是 cg_cgroup_link 的作
cg_cgroup_link 中的 cgrp 和 cg 就是此结构提的联合主键，而 cgrp_link_list 和 cg_link_list 分别连入到 cgroup 和 css_set 相应的链表，使得能从 cgroup 或 css_set 都可以进行遍历查询。
struct cg_cgroup_link
struct list_head cgrp_link_list;
struct cgroup *cgrp;
struct list_head cg_link_list;
struct css_set *cg; ;
 

为什么 cgroup 和 css_set 是多对多的关系？

    一个进程对应一个 css_set，一个 css_set 存储了一组进程 (有可能被多个进程共享，所以是一组) 跟各个子系统相关的信息，但是这些信息由可能不是从一个 cgroup 那里获得的，因为一个进程可以同时属于几个 cgroup，只要这些 cgroup 不在同一个层级。

    可以从 task 到 cgroup 是很容易定位的，但是从 cgroup 获取此 cgroup 的所有的 task 就必须通过这个结构了。每个进程都回指向一个 css_set，而与这个 css_set 关联的所有进程都会链入到 css_set->tasks 链表，而 cgroup 又通过一个中间结构 cg_cgroup_link 来寻找所有与之关联的所有 css_set，从而可以得到与 cgroup 关联的所有进程。最后层级和子系统对应的结构体。层级对应的结构体是 cgroupfs_root

cgroupfs_root结构体
sb 指向该层级关联的文件系统数据块
subsys_bits 和 actual_subsys_bits 分别指向将要附加到层级的子系统和现在实际附加到层级的子系统，在子系统附加到层级时使用
hierarchy_id 是该层级唯一的 id
top_cgroup 指向该层级的根 cgroup
number_of_cgroups 记录该层级 cgroup 的个数
root_list 是一个嵌入的 list_head，用于将系统所有的层级连成链表。子系统对应的结构体是 cgroup_subsys
struct cgroupfs_root
  struct super_block *sb;
  unsigned long subsys_bits;
  int hierarchy_id;
  unsigned long actual_subsys_bits;
  struct list_head subsys_list;
  struct cgroup top_cgroup;
  int number_of_cgroups;
  struct list_head root_list;
  unsigned long flags;
  char release_agent_path[PATH_MAX];
  char name[MAX_CGROUP_ROOT_NAMELEN];
;
 

cgroup_subsys结构体
    cgroup_subsys 定义了一组操作，让各个子系统根据各自的需要去实现。这个相当于 C++中抽象基类，然后各个特定的子系统对应 cgroup_subsys 则是实现了相应操作的子类。类似的思想还被用在了 cgroup_subsys_state 中，cgroup_subsys_state 并未定义控制信息，而只是定义了各个子系统都需要的共同信息，比如该 cgroup_subsys_state 从属的 cgroup。然后各个子系统再根据各自的需要去定义自己的进程控制信息结构体，最后在各自的结构体中将 cgroup_subsys_state 包含进去，这样通过 Linux 内核的 container_of 等宏就可以通过 cgroup_subsys_state 来获取相应的结构体。

      从基本层次顺序定义上来看，由 task_struct、css_set、cgroup_subsys_state、cgroup、cg_cgroup_link、cgroupfs_root、cgroup_subsys 等结构体组成的 CGroup 可以基本从进程级别反应之间的响应关系。后续文章会针对文件系统、各子系统做进一步的分析。

struct cgroup_subsys
  struct cgroup_subsys_state *(*create)(struct cgroup_subsys *ss,
  struct cgroup *cgrp);
  int (*pre_destroy)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp);
  void (*destroy)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp);
  int (*can_attach)(struct cgroup_subsys *ss,
  struct cgroup *cgrp, struct task_struct *tsk, bool threadgroup);
  void (*cancel_attach)(struct cgroup_subsys *ss,
  struct cgroup *cgrp, struct task_struct *tsk, bool threadgroup);
  void (*attach)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp,
  struct cgroup *old_cgrp, struct task_struct *tsk, bool threadgroup);
  void (*fork)(struct cgroup_subsys *ss, struct task_struct *task);
  void (*exit)(struct cgroup_subsys *ss, struct task_struct *task);
  int (*populate)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp);
  void (*post_clone)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *cgrp);
  void (*bind)(struct cgroup_subsys *ss, struct cgroup *root);
  int subsys_id;
  int active;
  int disabled;
  int early_init;
  bool use_id;
  #define MAX_CGROUP_TYPE_NAMELEN 32
  const char *name;
  struct mutex hierarchy_mutex;
  struct lock_class_key subsys_key;
  struct cgroupfs_root *root;
  struct list_head sibling;
  struct idr idr;
  spinlock_t id_lock;
  struct module *module;
;
 

 

 

三. cgroup初始化
 

 

四. cgroup 用户空间
创建一个层级： mount -t cgroup -o cpu,cpuset,memory cpu_and_mem /cgroup/cpu_and_mem

 

 

 

创建一个名为cpu_and_mem的层级，这个层级上附加了cpu,cpuset,memory三个子系统，并把层级挂载到了/cgroup/cpu_and_mem

 

 

五. cgroup 文件系统实现
VFS虚拟文件系统转换，处理与Unix标准文件系统的所有系统调用。VFS对用户提供统一的读写接口，用户调用读写等函数时，内核则调用特定的文件系统实现。文件在内核内存中是一个file数据结构来表示的。这个数据结构包含一个f_op的字段，该字段中包含了一组指向特定文件系统实现的函数指针。当用户执行read()操作时，内核调用sys_read(),然后sys_read（）查找到指向该文件属于的文件系统的读函数指针，并调用它，即file->f_op->read().

基于VFS实现的文件系统，都必须实现定义这些对象，并实现这些对象中定义的函数指针。

cgroup文件系统的定义：

static struct file_system_type cgroup_fs_type = 
.name = "cgroup",

.get_sb = cgroup_get_sb,

.kill_sb = cgroup_kill_sb,

;

这里有定义了两个函数指针，定义了一个文件系统必须实现了的两个操作get_sb,kill_sb，即获得超级块和释放超级块。这两个操作会在使用mount系统调用挂载cgroup文件系统时使用。

 

 

 

CPU资源控制
      CPU资源的控制也有两种策略，

一种是完全公平调度 （CFS：Completely Fair Scheduler）策略，提供了限额和按比例分配两种方式进行资源控制；
另一种是实时调度（Real-Time Scheduler）策略，针对实时进程按周期分配固定的运行时间。配置时间都以微秒（µs）为单位，文件名中用us表示。
      CFS调度策略下的配置

设定CPU使用周期使用时间上限
cpu.cfs_period_us：设定周期时间，必须与cfs_quota_us配合使用。
cpu.cfs_quota_us ：设定周期内最多可使用的时间。这里的配置指task对单个cpu的使用上限，若cfs_quota_us是cfs_period_us的两倍，就表示在两个核上完全使用。数值范围为1000 - 1000,000（微秒）。
cpu.stat：统计信息，包含nr_periods（表示经历了几个cfs_period_us周期）、nr_throttled（表示task被限制的次数）及throttled_time（表示task被限制的总时长）。
按权重比例设定CPU的分配
cpu.shares：设定一个整数（必须大于等于2）表示相对权重，最后除以权重总和算出相对比例，按比例分配CPU时间。（如cgroup A设置100，cgroup B设置300，那么cgroup A中的task运行25%的CPU时间。对于一个4核CPU的系统来说，cgroup A 中的task可以100%占有某一个CPU，这个比例是相对整体的一个值。）
        RT调度策略下的配置 实时调度策略与公平调度策略中的按周期分配时间的方法类似，也是在周期内分配一个固定的运行时间。

cpu.rt_period_us ：设定周期时间。
cpu.rt_runtime_us：设定周期中的运行时间。
 

cpuacct资源报告
    这个子系统的配置是cpu子系统的补充，提供CPU资源用量的统计，时间单位都是纳秒。

cpuacct.usage：统计cgroup中所有task的cpu使用时长
cpuacct.stat：统计cgroup中所有task的用户态和内核态分别使用cpu的时长
cpuacct.usage_percpu：统计cgroup中所有task使用每个cpu的时长
 

cpuset
     为task分配独立CPU资源的子系统，参数较多，这里只选讲两个必须配置的参数，同时Docker中目前也只用到这两个。

cpuset.cpus：可使用的CPU编号，如0-2,16代表 0、1、2和16这4个CPU
cpuset.mems：与CPU类似，表示cgroup可使用的memory node，格式同上，NUMA系统使用
 

device ( 限制task对device的使用)
     设备黑/白名单过滤

devices.allow：允许名单，语法type device_types:node_numbers access type ；type有三种类型：b（块设备）、c（字符设备）、a（全部设备）；access也有三种方式：r（读）、w（写）、m（创建）
devices.deny：禁止名单，语法格式同上
    统计报告

  devices.list：报​​​告​​​为​​​这​​​个​​​ cgroup 中​​​的​task设​​​定​​​访​​​问​​​控​​​制​​​的​​​设​​​备

 

freezer - 暂停/恢复cgroup中的task
      只有一个属性，表示进程的状态，把task放到freezer所在的cgroup，再把state改为FROZEN，就可以暂停进程。不允许在cgroup处于FROZEN状态时加入进程。freezer.state 包括如下三种状态：

- FROZEN 停止
- FREEZING 正在停止，这个是只读状态，不能写入这个值。
- THAWED 恢复
 

memory (内存资源管理)
memory.limit_bytes：强制限制最大内存使用量，单位有k、m、g三种，填-1则代表无限制
memory.soft_limit_bytes：软限制，只有比强制限制设置的值小时才有意义
memory.memsw.limit_bytes：设定最大内存与swap区内存之和的用量限制
memory.oom_control： 0表示开启，当cgroup中的进程使用资源超过界限时立即杀死进程。默认包含memory子系统的cgroup都启用。当oom_control不启用时，实际使用内存超过界限时进程会被暂停直到有空闲的内存资源
     统计

memory.usage_bytes：报​​​告​​​该​​​ cgroup中​​​进​​​程​​​使​​​用​​​的​​​当​​​前​​​总​​​内​​​存​​​用​​​量（以字节为单位）
memory.max_usage_bytes：报​​​告​​​该​​​ cgroup 中​​​进​​​程​​​使​​​用​​​的​​​最​​​大​​​内​​​存​​​用​​​量
memory.failcnt：报​​​告​​​内​​​存​​​达​​​到​​​在​​​ memory.limit_in_bytes设​​​定​​​的​​​限​​​制​​​值​​​的​​​次​​​数​​​
memory.stat：包含大量的内存统计数据。
cache：页​​​缓​​​存​​​，包​​​括​​​ tmpfs（shmem），单位为字节。
rss：匿​​​名​​​和​​​ swap 缓​​​存​​​，不​​​包​​​括​​​ tmpfs（shmem），单位为字节。
mapped_file：memory-mapped 映​​​射​​​的​​​文​​​件​​​大​​​小​​​，包​​​括​​​ tmpfs（shmem），单​​​位​​​为​​​字​​​节​​​
pgpgin：存​​​入​​​内​​​存​​​中​​​的​​​页​​​数​​​
pgpgout：从​​​内​​​存​​​中​​​读​​​出​​​的​​​页​​​数
swap：swap 用​​​量​​​，单​​​位​​​为​​​字​​​节​​​
active_anon：在​​​活​​​跃​​​的​​​最​​​近​​​最​​​少​​​使​​​用​​​（least-recently-used，LRU）列​​​表​​​中​​​的​​​匿​​​名​​​和​​​ swap 缓​​​存​​​，包​​​括​​​ tmpfs（shmem），单​​​位​​​为​​​字​​​节​​​
inactive_anon：不​​​活​​​跃​​​的​​​ LRU 列​​​表​​​中​​​的​​​匿​​​名​​​和​​​ swap 缓​​​存​​​，包​​​括​​​ tmpfs（shmem），单​​​位​​​为​​​字​​​节
active_file：活​​​跃​​​ LRU 列​​​表​​​中​​​的​​​ file-backed 内​​​存​​​，以​​​字​​​节​​​为​​​单​​​位
inactive_file：不​​​活​​​跃​​​ LRU 列​​​表​​​中​​​的​​​ file-backed 内​​​存​​​，以​​​字​​​节​​​为​​​单​​​位
unevictable：无​​​法​​​再​​​生​​​的​​​内​​​存​​​，以​​​字​​​节​​​为​​​单​​​位​​​
hierarchical_memory_limit：包​​​含​​​ memory cgroup 的​​​层​​​级​​​的​​​内​​​存​​​限​​​制​​​，单​​​位​​​为​​​字​​​节​​​
hierarchical_memsw_limit：包​​​含​​​ memory cgroup 的​​​层​​​级​​​的​​​内​​​存​​​加​​​ swap 限​​​制​​​，单​​​位​​​为​​​字​​​节​​​
 

Docker: 限制容器可用的 CPU
      通过 --cpus 选项指定容器可以使用的 CPU 个数，这个还是默认设置了cpu.cfs_period_us(100000)和cpu.cfs_quota_us（200000）

      docker run -it --rm --cpus 2 harbor.master.online.local/library/centos:7.2-base /bin/bash

登陆容器执行命令：

yum install -y epel-release
rpm --rebuilddb
yum install -y stress
     容器中执行： stress -c 5，查看容器使用资源情况，容器 CPU 的负载为 200%，理解为单个 CPU 负载的两倍。也可以把它理解为有两颗 CPU 在 100% 工作

 

     宿主机top查看，5个 CPU 的负载都是 40%，加起来容器消耗的 CPU 总量就是两个 CPU 100% 的负载，不过CPU多了，靠系统来调度分配CPU

 

    总结： 对于进程没有 CPU 个数概念，内核只能通过进程消耗的 CPU 时间片来统计出进程占用 CPU 的百分比。

 

指定固定的 CPU
    通过 --cpuset-cpus 选项可以固定到指定CPU，现在的多核系统中每个核心都有自己的缓存，如果频繁的调度进程在不同的核心上执行势必会带来缓存失效等开销

运行容器： docker run -it --rm --cpuset-cpus=1 harbor.master.online.local/library/centos:7.2-base /bin/bash

安装stress: yum install -y epel-release && rpm --rebuilddb && yum install -y stress

执行压测：stress -c 5

   查看容器状态：

 

   宿主机查看cpu占用情况，五个进程占用一个指定的CPU