容器原理之cgroup

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以 docker 为代表，轻量、便携的 container 使得打包和发布应用非常容易。系列文章容器原理主要分析 container 用到的核心技术，主要包括 Linux namespace，cgroups，overlayfs，看完这些内容，你将可以手动创建一个和 container 类似的环境。

cgroup（control group）是一个内核特性，用于限制、统计、隔离一组进程的资源（CPU、内存、磁盘、网络等），首字母不要大写。

“

“cgroup” stands for “control group” and is never capitalized.

单数形式（cgroup）指所有特性，也可以作为“cgroup controllers”的修饰。
复数形式（cgroups）指多个 cgroup。

Google 工程师在 2006 年开始提出这个特性，最早叫“process containers[1]”，为了避免造成歧义，在 2007 年改名为“control group”，在 2008 年 1 月发布的 Linux Kernel 2.6.24 合入主线分支。此后，在此基础上又增加了一系列特性，包括 kernfs（伪文件系统，用于向用户导出内核的设备模型），firewalling（基于预定义的安全规则管理网络流量）和 unified hierarchy[2]。在 Linux Kernel 4.5 版本合入了 cgroup v2[3] 的实现代码。

cgroup 功能

在云原生场景下，可以通过 cgroups 限制每个容器可以使用的资源。例如，对于 kubernetes，可以用于决定是否调度 pod 到某个节点，从而确保每个容器中的应用都有足够的可用资源。

cgroup 主要功能包括：

资源限制：限制一组进程的可用资源阈值。
资源监控：监控 cgroup 级别的资源使用状态。
进程控制：控制（挂起 or 恢复）cgroup 中的所有进程。
优先级控制：控制不同 cgroup 的优先级，当资源不足时，优先满足优先级高的 cgroup。

cgroup 模式

目前，cgroups 有两个版本，cgroup V1 和 cgroup V2。V1 功能相对零散，不方便维护，V2 是未来的演进方向。在这种情况下，节点存在以下面 3 种 cgroups 模式：

legacy：只支持 cgroup V1
hybrid：同时支持 cgroup V1 和 cgroup V2
unified：只支持 cgroup V2

在 containerd 中，通过以下方式判断处于哪种模式：

const unifiedMountpoint = "/sys/fs/cgroup"

// Mode returns the cgroups mode running on the host
func Mode() CGMode {
    checkMode.Do(func() {
        var st unix.Statfs_t
        // 没挂载 /sys/fs/cgroup
        if err := unix.Statfs(unifiedMountpoint, &st); err != nil {
            cgMode = Unavailable
            return
        }
        switch st.Type {
        case unix.CGROUP2_SUPER_MAGIC:
            // /sys/fs/cgroup 挂载为 cgroup2 文件系统格式
            cgMode = Unified
        default:
            cgMode = Legacy
            if err := unix.Statfs(filepath.Join(unifiedMountpoint, "unified"), &st); err != nil {
                return
            }
            // /sys/fs/cgroup/unified 挂载为 cgroup2 文件系统格式
            if st.Type == unix.CGROUP2_SUPER_MAGIC {
                cgMode = Hybrid
            }
        }
    })
    return cgMode
}

Cgroup

也可以通过以下命令判断：

[ $(stat -fc %T /sys/fs/cgroup/) = "cgroup2fs" ] && echo "unified" || ( [ -e \
/sys/fs/cgroup/unified/ ] && echo "hybrid" || echo "legacy")

通过 Linux 启动参数修改 cgroups 模式。例如，使用 unified 模式（注意cgroup_no_v1=all）：

GRUB_CMDLINE_LINUX="cgroup_enable=memory systemd.unified_cgroup_hierarchy=1 \
systemd.legacy_systemd_cgroup_controller=0 cgroup_no_v1=all"

使用 legacy 模式：

GRUB_CMDLINE_LINUX="cgroup_enable=memory systemd.unified_cgroup_hierarchy=0 \
systemd.legacy_systemd_cgroup_controller=1"

使用 hybrid 模式：

GRUB_CMDLINE_LINUX="cgroup_enable=memory systemd.unified_cgroup_hierarchy=1 \
systemd.legacy_systemd_cgroup_controller=1"

cgroup V1

基本概念

cgroup v1 主要包括以下几个概念：

subsystem（子系统）：内核模块，具体的资源控制器，可以被关联到 cgroup 树。不同资源的控制器不同，例如，内存子系统控制内存资源，CPU 子系统控制 CPU 资源。
cgroup（控制组）：资源隔离的最小单位，表示一组进程和 cgroup 子系统的关联，例如：通过内存子系统限制一组进程的可用内存资源总量。进程可以加入某个 cgroup，也可以从一个 cgroup 迁移到另一个 cgroup，同一进程不能同时存在同类型的两个 cgroup 中。
hierarchy（层级）：由一系列 cgroup 按照树状结构排列，每个节点都是一个 cgroup，子 cgroup 默认继承父 cgroup 的参数和配置。系统可以有多个层级（cgroup 树），每个层级可以和不同的 subsystem 关联，每个 subsystem 只能和一个层级关联，同一进程可以属于多个层级，但在每个层级中只能属于一个 cgroup 节点。

cgroup 类型（subsystem）

cgroup V1 支持的资源类型如下：

❯ ls -l /sys/fs/cgroup
total 0
dr-xr-xr-x  9 root root  0 Jun 12 20:56 blkio
lrwxrwxrwx  1 root root 11 Jun 12 20:56 cpu -> cpu,cpuacct
lrwxrwxrwx  1 root root 11 Jun 12 20:56 cpuacct -> cpu,cpuacct
dr-xr-xr-x 10 root root  0 Jun 12 20:56 cpu,cpuacct
dr-xr-xr-x  7 root root  0 Jun 12 20:56 cpuset
dr-xr-xr-x  9 root root  0 Jun 12 20:56 devices
dr-xr-xr-x  7 root root  0 Jun 12 20:56 freezer
dr-xr-xr-x  6 root root  0 Jun 12 20:56 hugetlb
dr-xr-xr-x 10 root root  0 Jun 12 20:56 memory
lrwxrwxrwx  1 root root 16 Jun 12 20:56 net_cls -> net_cls,net_prio
dr-xr-xr-x  7 root root  0 Jun 12 20:56 net_cls,net_prio
lrwxrwxrwx  1 root root 16 Jun 12 20:56 net_prio -> net_cls,net_prio
dr-xr-xr-x  7 root root  0 Jun 12 20:56 perf_event
dr-xr-xr-x  9 root root  0 Jun 12 20:56 pids
dr-xr-xr-x 10 root root  0 Jun 12 20:56 systemd

blkio：限制块设备的 IO
cpu：通过调度程序控制可用 CPU 资源总量
cpuacct：CPU 资源的使用情况
cpuset：控制进程可用的 CPU 和内存
devices：控制对设备的访问
freezer：挂起或恢复 cgroup 中的进程
hugetlb：控制进程可用的大页内存
memory：控制进程可用的内存总量，同时统计内存使用情况
net_cls：将 cgroup 中的网络包分类
net_prio：控制网络流量的优先级
perf_event：监控 cgroup 的性能
pids：控制可创建的进程总数

Cgroup 子系统运行在内核态，不能直接和用户交互，因此，需要通过文件系统提供和终端用户的接口。在 Linux 中，表现为 Cgroup 子系统挂载的文件系统目录，用户操作这些文件就可以直接和内核中的 Cgroup 对象交互。

不同的子系统对应的文件系统目录包含不同的文件，但以下文件是所有子系统都有的：

cgroup.clone_children
cgroup.procs
notify_on_release
tasks

cgroup.clone_children

控制子 cgroup 是否继承父 cgroup 的配置，只对 cpuset 子系统有效[4]，并且在 cgroup V2 中已经移除[5]。

cgroup.procs

位于当前 cgroup 的 TGID（线程组 ID），TGID 是进程组中第一个进程的 PID。该文件是可写的，向该文件写入 TGID 即将对应线程组加入 cgroup，不保证文件中的 TGID 有序和不重复。

tasks

位于当前 cgroup 中 task 的 TID（线程 ID），即进程组中的所有线程的 ID。该文件是可写的，将任务的 TID 写入这个文件表示将其加入对应 cgroup，如果该任务的 TGID 在另一个 cgroup，会在 cgroup.procs 记录该任务的 TGID，进程组中的其它 task 不受影响。不保证文件中的 TID 有序和不重复。

⚠️ 注意：如果向 cgroup.procs 写入 TGID，系统会自动更新 tasks 文件中的内容为该线程组中所有任务的 TID。

> cat cgroup.procs
> cat tasks
> echo 40790 > cgroup.procs
> cat tasks
40791
40792
40793
40794
40795

向 tasks 文件中写入 TID，cgroup.procs 中的值也会更新为对应 TGID，但是并不影响该线程组中的其它任务。

> echo 45345 > tasks
> cat cgroup.procs
45340
> cat tasks
45345

notify_on_release

是否开启 release agent，如果该文件中的值为 1，当 cgroup 中不包含任何 task 时（tasks 中的 TID 被全部移除），kernel 会执行 release_agent 文件（位于 root cgroup 的 release_agent 文件，例如/sys/fs/cgroup/memory/release_agent）的内容。所有非 root cgroup 从父 cgroup 继承该值。

cgroup V2

基本概念

在 cgroup v2 中，去掉了层级（hierarchy）的概念，只有一个层级，所有 cgroup 在该层级中以树形的方式组织，每个 cgroup 可以管理多种资源。

cgroup v2 不需要单独挂载每个子系统。

❯ findmnt -R /sys/fs/cgroup
TARGET         SOURCE  FSTYPE  OPTIONS
/sys/fs/cgroup cgroup2 cgroup2 rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,nsdelegate

如何查看 cgroup 开启了哪些 controller（和 cgroup v1 子系统的概念类似）呢？在 cgroup v2 中，每个 cgroup 目录下有个名为cgroup.controllers的可读文件，记录了当前 cgroup 启用的 controller。根目录下cgroup.controllers文件的内容记录了当前系统支持的所有 controller。

❯ cat cgroup.controllers
cpuset cpu io memory pids

新建子 cgroup 时，cgroup.controllers 继承父 cgroup 的 cgroup.subtree_control 值，子 cgroup 的 cgroup.subtree_control为空，表示在该子 cgroup 下再次创建子 cgroup 时，默认不会启用 controller。

创建一个testcgroup，此时，cgroup.subtree_control的值为空：

❯ pwd
/sys/fs/cgroup
❯ mkdir test
❯ cat cgroup.subtree_control

cgroup.controllers的值和父 cgroup 的cgroup.subtree_control值相同：


# 父 cgroup 的 cgroup.subtree_control
❯ cat cgroup.subtree_control
cpuset cpu io memory pids

# test cgroup 的 cgroup.controllers
❯ cat test/cgroup.controllers
cpuset cpu io memory pids

在test下再创建一个子 cgroup child，此时，child的cgroup.controllers的内容为空：

❯ mkdir test/child
❯ cat test/child/cgroup.controllers

子 cgroup child中的文件：

cgroup.controllers  cgroup.max.descendants  cgroup.threads  io.pressure
cgroup.events       cgroup.procs            cgroup.type     memory.pressure
cgroup.freeze       cgroup.stat             cpu.pressure
cgroup.max.depth    cgroup.subtree_control  cpu.stat

修改父 cgroup 的 cgroup.subtree_control，增加 cgroup controller：

❯ echo "+memory" > test/cgroup.subtree_control
❯ cat test/child/cgroup.controllers
memory

与此同时，子 cgroup child中增加了 memory 相关的文件：

❯ ls test/child
cgroup.controllers      cpu.stat             memory.oom.group
cgroup.events           io.pressure          memory.pressure
cgroup.freeze           memory.current       memory.reclaim
cgroup.max.depth        memory.drop_cache    memory.stat
cgroup.max.descendants  memory.events        memory.swap.current
cgroup.procs            memory.events.local  memory.swap.events
cgroup.stat             memory.high          memory.swap.max
cgroup.subtree_control  memory.low
cgroup.threads          memory.max
cgroup.type             memory.min
cpu.pressure            memory.numa_stat

删除子 cgroup 中的 controller，也通过修改父 cgroup 的cgroup.subtree_control实现：

❯ echo "-memory" > test/cgroup.subtree_control
❯ cat test/child/cgroup.controllers

对一个 cgroup，如果 cgroup.procs的值不为空，不能设置 cgroup.subtree_control的值。

❯ cat cgroup.procs
49347
❯ echo "+memory" > cgroup.subtree_control
echo: write error: device or resource busy

此时，需要将 cgroup 中的进程移动到其它子 cgroup，确保当前 cgroup 中cgroup.procs的值为空：

❯ mkdir tmp
❯ echo 49347 > tmp/cgroup.procs
❯ echo "+memory" > cgroup.subtree_control
❯ cat child/cgroup.controllers
memory

未开启任何 controller 时，cgroup 中包含以下文件：

❯ ls test/child
cgroup.controllers
cgroup.events
cgroup.freeze
cgroup.max.depth
cgroup.max.descendants
cgroup.procs
cgroup.stat
cgroup.subtree_control
cgroup.threads
cgroup.type
cpu.pressure
cpu.stat
io.pressure
memory.pressure

cgroup.controllers：当前 cgroup 开启的 controller 列表。
cgroup.events：存在于非 root cgroup 中，包括两个字段：populated 和 frozen。

❯ cat cgroup.events
populated 0
frozen 0

populated：如果当前 cgroup 和子层级中没有存活的进程，populated 值为 0，否则为 1。值改变时会触发 poll 和 notify 事件。考虑以下 cgroup 层级（括号中的数字代表 cgroup 中的进程数量）：

A(4) - B(0) - C(1)
            \ D(0)

A，B 和 C 的 populated 值都为 1，D 的 populated 值为 0，如果 C 中对进程退出，则 B 和 C 中的 populated 值将变为 0，并且会生成cgroup.events文件被修改的事件。

frozen：如果当前 cgroup 处于 frozen 状态，值为 1，否则为 0。

cgroup.freeze：可读可写，可以通过向该文件写入 1 将 cgroup 设置为 freeze 状态。默认值为 0。

❯ cat cgroup.freeze
0
❯ echo 1 > cgroup.freeze
❯ cat cgroup.freeze
1
❯ cat cgroup.events
populated 0
frozen 1

cgroup.max.depth：当前 cgroup 允许创建子 cgroup 最大深度，如果实际深度大于或等于该值，尝试创建新的子 cgroup 会失败。默认值 max 不限制。
cgroup.max.descendants：当前 cgroup 允许创建子 cgroup 的最大数量，如果实际子 cgroup 数量大于该值，尝试创建新的 cgroup 会失败。默认值 max 不限制。

cgroup.max.depth 和 cgroup.max.descendants 的区别：

cgroup.max.descendants 限制当前 cgroup 下所有子 cgroup 的总和（包括所有子 cgroup）。

❯ cat cgroup.max.descendants
2
❯ mkdir test1
❯ mkdir test2
❯ mkdir test3
mkdir: cannot create directory ‘test3’: Resource temporarily unavailable

cgroup.max.depth 限制 cgroup 树的深度：

❯ cat cgroup.max.depth
2
❯ mkdir test1
❯ mkdir test1/test2
❯ mkdir test1/test2/test3
mkdir: cannot create directory ‘test1/test2/test3’: Resource temporarily unavailable

cgroup.procs：可读可写，处于当前 cgroup 中的所有进程，每行一个 PID，没有顺序，并且可能存在重复（进程被移走后再次加入当前 cgroup）。向该文件中写入 PID 可以将进程加入 cgroup。

❯ cat cgroup.procs
❯ echo 34256 > cgroup.procs
❯ cat cgroup.procs
34256

cgroup.threads：可读可写，处于当前 cgroup 中的所有线程，每行一个 TID，没有顺序，并且可能存在重复。

向cgroup.procs中写入 PID 后，cgroup 会向cgroup.threads文件中追加进程中所有线程的 TID。

❯ cat cgroup.threads
34256
34257
34258
34259
34260
34261

cgroup.stat：只读文件，展示当前 cgroup 的状态，包括以下字段：

❯ cat cgroup.stat
nr_descendants 2
nr_dying_descendants 0

nr_descendants：当前 cgroup 下子 cgroup 的总数。

mkdir test2
❯ cat cgroup.stat
nr_descendants 3
nr_dying_descendants 0

nr_dying_descendants：当前 cgroup 下正在被删除的子 cgroup 数量。

cgroup.subtree_control：可读可写，当前 cgroup 的子 cgroup 启用的 controller 列表。向该文件写入以“+”或“-”为前缀的 controller 名称列表为子 cgroup 启用或禁用 controller。

❯ cat cgroup.subtree_control
❯ echo "+memory" > cgroup.subtree_control
❯ cat test1/cgroup.controllers
memory

当前 cgroup 中存在进程时，写入不会成功：

❯ echo "+memory" > cgroup.subtree_control
echo: write error: device or resource busy

写入当前 cgroup 没有启用的 controller 时，不会成功：

❯ cat cgroup.controllers
memory
❯ echo "+cpu" > cgroup.subtree_control
echo: write error: no such file or directory

当同时写入多个 controller 时，要么全成功，要么全失败，不存在部分成功的情况：

❯ echo "+memory +cpu" > cgroup.subtree_control
echo: write error: no such file or directory
❯ cat test1/cgroup.controllers

虽然启用 memory controller 可以成功，但是启用 cpu controller 的时候失败了，所以 memory controller 也没有启用。

cgroup.type：可读可写，存在于非 root cgroup 中。可选的值：

“domain”：正常的有效 domain cgroup，默认类型。

“domain threaded”：threaded 类型 domain cgroup，作为 threaded 子树的根结点。

“domain invalid”：无效的 cgroup，不能启用 controller，不能加入进程。可以转换为 threaded 类型的 cgroup。

“threaded”：threaded 类型 cgroup，位于 threaded 子树中。

❯ cat cgroup.type
domain

cpu.pressure

当前 cgroup 的 CPU 压力情况，基于 PSI[6]（Pressure Stall Information）实现，这是 kernel 引入的一种评估系统压力的机制。内容如下：

❯ cat cpu.pressure
some avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0
full avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0

pressure值分为两行，avg10、avg60、avg300 分别表示 10s、60s、300s 时间周期内阻塞（stall）时间的百分比。total 是累计时间，单位 ms。

some行表示只有有一个任务在 cpu 资源上阻塞。full 行表示所有非 idle 状态任务同时在 cpu 资源上阻塞，此时，cpu 资源完全浪费，严重影响性能。

在以下示例中，每个格子代表 10s，有颜色的格子代表在这段时间（为了方便，以 10s 为单位）内 cpu 处于阻塞状态。

some 阻塞时间的百分比为 80s/100s=80%，full 阻塞时间的百分比为 30/100=30%。

io.pressure

和cpu.pressure类似，表示当前 cgroup 内 io 资源阻塞时间的占比。

❯ cat io.pressure
some avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0
full avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0

memory.pressure

和cpu.pressure类似，表示当前 cgroup 内 memory 资源阻塞时间的占比。

❯ cat cpu.pressure
some avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0
full avg10=0.00 avg60=0.00 avg300=0.00 total=0

cpu.stat：统计当前 cgroup 中 cpu 资源的使用情况。

❯ cat cpu.stat
usage_usec 2400
user_usec 0
system_usec 2400

usage_usec：总的 cpu 时间。

user_usec：用户态进程占用 cpu 的时间。

system_usec：内核态进程占用 cpu 的时间。

V1 和 V2 主要区别

参考 facebook Chris Down 提到的例子[7]。

在 cgroup v1 中，每种资源一个层级。对于 bg 和 adhoc 两个 cgroup，bg 需要限制 blkio 和 memory 两种资源，adhoc 需要限制 memory 和 pids 两种资源。cgroup v1 场景的视图如下：

对于 cgroup v2，由于所有资源都在同一个 cgroup 下管理，通过 cgroup.sub_controller 控制子 cgroup 启用的 controller，这样一来，视图以 cgroup 为单位，更加清晰和便于管理。

参考资料

[1] process containers: https://lwn.net/Articles/236038/

[2] unified hierarchy: https://lkml.org/lkml/2014/3/13/503

[3] cgroup v2: https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/diff/Documentation/cgroup-v2.txt?id=v4.5&id2=v4.4

[4] 只对 cpuset 子系统有效: https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v1/cgroups.txt

[5] 在 cgroup V2 中已经移除: https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v2.txt

[6] PSI: https://docs.kernel.org/accounting/psi.html#psi

[7] Chris Down 提到的例子: https://chrisdown.name/talks/cgroupv2/cgroupv2-fosdem.pdf

posted @ 2023-07-16 22:38 abin在路上阅读(491) 评论(0) 编辑收藏举报

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容器原理之cgroup

cgroup 功能

cgroup 模式

cgroup V1

基本概念

cgroup 类型（subsystem）

cgroup V2

基本概念

V1 和 V2 主要区别

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