k8s最佳实践:cgroup kmem的内存泄露问题
k8s最佳实践:cgroup kmem的内存泄露问题
1.前言
这篇文章的全称应该叫:[在某些内核版本上,cgroup 的 kmem account 特性有内存泄露问题],如果你遇到过 pod 的 "cannot allocated memory"报错,node 内核日志的“SLUB: Unable to allocate memory on node -1”报错,那么恭喜你中招了。
一. 当k8s集群运行日久以后,有的node无法再新建pod,并且出现如下错误,当重启服务器之后,才可以恢复正常使用。查看pod状态的时候会出现以下报错。
applying cgroup … caused: mkdir …no space left on device 或者在describe pod的时候出现cannot allocate memory
这时候你的 k8s 集群可能就存在内存泄露的问题了,当创建的pod越多的时候内存会泄露的越多,越快。
二. 具体查看是否存在内存泄露
cat /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/memory.kmem.slabinfo 当出现cat: /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/memory.kmem.slabinfo: Input/output error则说明不存在内存泄露的情况 如果存在内存泄露会出现 slabinfo - version: 2.1 # name <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> : tunables <limit> <batchcount> <sharedfactor> : slabdata <active_slabs> <num_slabs> <sharedavail>
解决方案
一. 解决方法思路:关闭 runc 和 kubelet 的 kmem,因为升级内核的方案改动较大,此处不采用。
二. kmem导致内存泄露的原因:
内核对于每个 cgroup 子系统的的条目数是有限制的,限制的大小定义在 kernel/cgroup.c #L139,当正常在 cgroup 创建一个 group 的目录时,条目数就加1。我们遇到的情况就是因为开启了 kmem accounting 功能,虽然 cgroup 的目录删除了,但是条目没有回收。这样后面就无法创建65535个 cgroup 了。也就是说,在当前内核版本下,开启了 kmem accounting 功能,会导致 memory cgroup 的条目泄漏无法回收。
2.现象
我们的环境:
K8S 版本: 1.11、1.13、1.16
docker 版本:18.09
机器操作系统:centos7、centos6
机器内核版本:3.10
可能会出现以下几种现象:
1.pod 状态异常,describe pod 显示原因为: no allocated memory
2.节点上执行 dmesg 有日志显示:slub无法分配内存:SLUB: Unable to allocate memory on node -1
3.节点 oom开始按优先级杀进程,有可能会导致有些正常 pod 被杀掉
4.机器free 查看可用内存还有很多,却无法分配,怀疑是内存泄露。
3.原因
一句话总结:
cgroup 的 kmem account 特性在 3.x 内核上有内存泄露问题,如果开启了 kmem account 特性 会导致可分配内存越来越少,直到无法创建新 pod 或节点异常。
几点解释:
kmem account 是cgroup 的一个扩展,全称CONFIG_MEMCG_KMEM,属于机器默认配置,本身没啥问题,只是该特性在 3.10 的内核上存在漏洞有内存泄露问题,4.x的内核修复了这个问题。
因为 kmem account 是 cgroup 的扩展能力,因此runc、docker、k8s 层面也进行了该功能的支持,即默认都打开了kmem 属性
因为3.10 的内核已经明确提示 kmem 是实验性质,我们仍然使用该特性,所以这其实不算内核的问题,是 k8s 兼容问题。
4.解决方案
方案1:升级内核
既然是 3.x 的问题,直接升级内核到 4.x 及以上即可,内核问题解释:
https://github.com/torvalds/linux/commit/d6e0b7fa11862433773d986b5f995ffdf47ce672
https://support.mesosphere.com/s/article/Critical-Issue-KMEM-MSPH-2018-0006
这种方式的缺点是:
需要升级所有节点,节点重启的话已有 pod 肯定要漂移,如果节点规模很大,这个升级操作会很繁琐,业务部门也会有意见,要事先沟通。
这个问题归根结底是软件兼容问题,3.x 自己都说了不成熟,不建议你使用该特性,k8s、docker却 还要开启这个属性,那就不是内核的责任,因为我们是云上机器,想替换4.x 内核需要虚机团队做足够的测试和评审,因此这是个长期方案,不能立刻解决问题。
已有业务在 3.x 运行正常,不代表可以在 4.x 也运行正常,即全量升级内核之前需要做足够的测试,尤其是有些业务需求对os做过定制。
因为 2 和 3 的原因,我们没有选择升级内核,决定使用其他方案
方案2:修改机器启动引导项
修改虚机启动的引导项 grub 中的cgroup.memory=nokmem,让机器启动时直接禁用 cgroup的 kmem 属性
修改/etc/default/grub 为:
GRUB_CMDLINE_LINUX="crashkernel=auto net.ifnames=0 biosdevname=0 intel_pstate=disable cgroup.memory=nokmem"
生成配置:
/usr/sbin/grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
重启机器:
reboot
验证:
cat /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/burstable/pod*/*/memory.kmem.slabinfo 无输出即可。
这个方式对一些机器生效,但有些机器替换后没生效,且这个操作也需要机器重启,暂时不采纳
方案3:修改并重新编译kubelet和runc
此方案属于在 k8s 维度禁用该属性(kmem account 特性)
对于v1.13及其之前版本的kubelet,需要手动替换以下两个函数。
vendor/github.com/opencontainers/runc/libcontainer/cgroups/fs/memory.go
func EnableKernelMemoryAccounting(path string) error {
return nil
}
func setKernelMemory(path string, kernelMemoryLimit int64) error {
return nil
}
重新编译并替换 kubelet
make WHAT=cmd/kubelet GOFLAGS=-v GOGCFLAGS="-N -l"
对于v1.14及其之后版本的kubelet 通过添加BUILDTAGS来禁止 kmem accounting.
make BUILDTAGS="nokmem" WHAT=cmd/kubelet GOFLAGS=-v GOGCFLAGS="-N -l"
我们遇到1.16 版本的BUILDTAGS=”nokmem“编译出来的 let 还是有问题,还是通过修改代码的方式使其生效:
修改文件:
vendor/github.com/opencontainers/runc/libcontainer/cgroups/fs/kmem.go
为:
// +build linux,!nokmem
package fs
import (
"errors"
)
func EnableKernelMemoryAccounting(path string) error {
return nil
}
func setKernelMemory(path string, kernelMemoryLimit int64) error {
return errors.New("kernel memory accounting disabled in this runc build")
}
Golang
Copy
编译前,可以编辑下文件 hack/lib/version.sh,将 KUBE_GIT_TREE_STATE="dirty" 改为 KUBE_GIT_TREE_STATE="clean",确保版本号干净。
这里面提下两篇文章:
pingcap:https://pingcap.com/blog/try-to-fix-two-linux-kernel-bugs-while-testing-tidb-operator-in-k8s/
腾讯云:https://tencentcloudcontainerteam.github.io/2018/12/29/cgroup-leaking/
都修改了 kubelet,pingcap 的文章有提到,docker18.09 默认关闭了 kmem,我们用的就是 18.09,但其实 docker 是打开了的,包括现在最新版的 docker-ce,直接 docker run 出来的容器也有 kmem
因此只修改 kubelet 在某些情况下是有问题的,判断依据是:
/sys/fs/cgroup/memory/memory.kmem.slabinfo
/sys/fs/cgroup/memory/kubepods/memory.kmem.slabinfo
/sys/fs/cgroup/memory/kubepods/burstabel/pod123456/xxx/memory.kmem.slabinfo
上边的三个文件,前两个是由 let 生成,对应 pod 维度的,修复 kubelet 后cat 该文件发现没有开启 kmem符合预期,但第三个是开启了的,猜测是 docker 层runc 生成容器时又打开了
因此,最简单的方式是和腾讯一样,直接修改下层的runc,在 runc层面将kmem直接写死为 nokmem
runc 文档:https://github.com/opencontainers/runc/blob/a15d2c3ca006968d795f7c9636bdfab7a3ac7cbb/README.md
方式:用最新版的 runc, make BUILDTAGS="seccomp nokmem" 然后 替换 /usr/bin/runc
验证:替换了 runc 后,不重启 docker,直接 kubectl run 或者 docker run, 新容器都会禁用 kmem,当然如果 kill 老 pod,新产生的 pod也禁用了kmem,证明没有问题
5.验证
找到一个设置了 request、limit的 pod,然后获取其 cgroup 中的 memory.kmem.slabinfo文件,如果报错或为 0,就证明没开 kmem,就没问题。
cat /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/burstable/pod*/*/memory.kmem.slabinfo
你也可以直接新建一个:
kubectl run nginx-1 --image=hub.baidubce.com/cce/nginx-alpine-go:latest --port=80 --restart=Never --requests='cpu=100m,memory=100Mi' --limits="cpu=200m,memory=200Mi"
然后 docker ps | grep nginx-1 得到容器 id
find /sys/fs/cgroup/memory -name "memory.kmem.slabinfo" | grep 容器 id,得到slabinfo的路径,直接 cat看结果
这个验证方式也是上边的复现方式。
6.影响范围
k8s在 1.9版本开启了对 kmem 的支持,因此 1.9 以后的所有版本都有该问题,但必须搭配 3.x内核的机器才会出问题。
一旦出现会导致新 pod 无法创建,已有 pod不受影响,但pod 漂移到有问题的节点就会失败,直接影响业务稳定性。因为是内存泄露,直接重启机器可以暂时解决,但还会再次出现
7.原理解释
1.kmem 是什么?
kmem 是cgroup 的一个扩展,全称CONFIG_MEMCG_KMEM,属于机器默认配置。
内核内存与用户内存:
内核内存:专用于Linux内核系统服务使用,是不可swap的,因而这部分内存非常宝贵的。但现实中存在很多针对内核内存资源的攻击,如不断地fork新进程从而耗尽系统资源,即所谓的“fork bomb”。
为了防止这种攻击,社区中提议通过linux内核限制 cgroup中的kmem 容量,从而限制恶意进程的行为,即kernel memory accounting机制。
使用如下命令查看KMEM是否打开:
# cat /boot/config-`uname -r`|grep CONFIG_MEMCG
CONFIG_MEMCG=y
CONFIG_MEMCG_SWAP=y
CONFIG_MEMCG_SWAP_ENABLED=y
CONFIG_MEMCG_KMEM=y
2.cgroup 与 kmem机制
使用 cgroup 限制内存时,我们不但需要限制对用户内存的使用,也需要限制对内核内存的使用。
kernel memory accounting 机制为 cgroup 的内存限制增加了 stack pages(例如新进程创建)、slab pages(SLAB/SLUB分配器使用的内存)、sockets memory pressure、tcp memory pressure等,以保证 kernel memory 不被滥用。
当你开启了kmem 机制,具体体现在 memory.kmem.limit_in_bytes 这个文件上:
/sys/fs/cgroup/memory/kubepods/pod632f736f-5ef2-11ea-ad9e-fa163e35f5d4/memory.kmem.limit_in_bytes
实际使用中,我们一般将 memory.kmem.limit_in_bytes 设置成大于 memory.limit_in_bytes,从而只限制应用的总内存使用。
kmem 的 limit 与普通 mem 的搭配,参考这篇文章:https://lwn.net/Articles/516529/
cgroup 文档: https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v1/memory.txt
3.kmem属性的漏洞
在4.0以下版本的 Linux 内核对 kernel memory accounting 的支持并不完善,在3.x 的内核版本上,会出现 kernel memory 无法回收,bug 解释:
https://bugzilla.redhat.com/show_bug.cgi?id=1507149
https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/61937
https://support.d2iq.com/s/article/Critical-Issue-KMEM-MSPH-2018-0006
4.docker 与 k8s 使用 kmem
以上描述都是cgroup层面即机器层面,但是 runc 和 docker 发现有这个属性之后,在后来的版本中也支持了 kmem ,k8s 发现 docker支持,也在 1.9 版本开始支持。
1.9版本及之后,kubelet 才开启 kmem 属性
kubelet 的这部分代码位于:
https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/release-1.12/vendor/github.com/opencontainers/runc/libcontainer/cgroups/fs/memory.go#L70-L106
对于k8s、docker 而言,kmem 属性属于正常迭代和优化,至于 3.x 的内核上存在 bug 不能兼容,不是k8s 关心的问题
但 issue 中不断有人反馈,因此在 k8s 1.14 版本的 kubelet 中,增加了一个编译选项 make BUILDTAGS="nokmem",就可以编译 kubelet 时就禁用 kmem,避免掉这个问题。而1.8 到1.14 中间的版本,只能选择更改 kubelet 的代码。
5.slub 分配机制
因为节点 dmesg 的报错是:SLUB: Unable to allocate memory on node -1
cgroup 限制下,当用户空间使用 malloc 等系统调用申请内存时,内核会检查线性地址对应的物理地址,如果没有找到会触发一个缺页异常,进而调用 brk 或 do_map 申请物理内存(brk申请的内存通常小于128k)。而对于内核空间来说,它有2种申请内存的方式,slub和vmalloc:
slab用于管理内存块比较小的数据,可以在/proc/slabinfo下查看当前slab的使用情况,
vmalloc操作的内存空间为 VMALLOC_START~4GB,适用于申请内存比较大且效率要求不高的场景。可以在/proc/vmallocinfo中查看vmalloc的内存分布情况。
可以在/proc/buddyinfo中查看当前空闲的内存分布情况,
6.其他表现
除了最上面提到的无法分配内存问题,kmem 还会导致其他现象,如pod资源占用过高问题
复现该问题还有一种方式,就是疯狂创建 cgroup 文件,直到 65535 耗尽,参考:https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/61937
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