容器中的Cgroup

Cgroup概念

容器化两个关键核心

• 对于容器技术而言，它实现资源层面上的限制和隔离，依赖于 Linux 内核所提供的 cgroup 和 namespace 技术
• 我们先对这两项技术的作用做个概括：

cgroup 的主要作用：管理资源的分配、限制；

namespace 的主要作用：封装抽象，限制，隔离，使命名空间内的进程看起来拥有他们自己的全局资源；

现代容器化带来的优势

• 轻量级，基于 Linux 内核所提供的 cgroup 和 namespace 能力，创建容器的成本很低；
• 一定的隔离性；
• 标准化，通过使用容器镜像的方式进行应用程序的打包和分发，可以屏蔽掉因为环境不一致带来的诸多问题；
• DevOps 支撑（可以在不同环境，如开发、测试和生产等环境之间轻松迁移应用，同时还可保留应用的全部功能）
• 为基础架构增添防护，提升可靠性、可扩展性和信赖度；
• DevOps/GitOps 支撑 （可以做到快速有效地持续性发布，管理版本及配置）
• 团队成员间可以有效简化、加速和编排应用的开发与部署；

什么是Cgroup

• Cgroup 是 Linux 内核的一个功能，用来限制、控制与分离一个进程组的资源（如CPU、内存、磁盘输入输出等）。它是由 Google 的两位工程师进行开发的，自 2008 年 1 月正式发布的 Linux 内核 v2.6.24 开始提供此能力
• Cgroup 到目前为止，有两个大版本， Cgroup v1 和 v2
• Cgroup 是 Control Groups 的缩写，是Linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源(如 CPU、内存、磁盘 IO 等等)的机制，
  被 LXC、docker 等很多项目用于实现进程资源控制。Cgroup 本身是提供将进程进行分组化管理的功能和接口的基础结构，I/O 或内存的分配控制等具体的资源管理是通过该功能来实现的这些具体的资源 管理功能称为 Cgroup 子系统，有以下几大子系统实现：

blkio	设置限制每个块设备的输入输出控制。例如:磁盘，光盘以及 usb 等等
CPU	使用调度程序为 cgroup 任务提供 CPU 的访问
cpuacct	产生 cgroup 任务的 CPU 资源报告
cpuset	如果是多核心的 CPU，这个子系统会为 cgroup 任务分配单独的 CPU 和 内存
devices	允许或拒绝 cgroup 任务对设备的访问
freezer	暂停和恢复 cgroup 任务
memory	设置每个 cgroup 的内存限制以及产生内存资源报告
net_cls	标记每个网络包以供 cgroup 方便使用
ns	命名空间子系统
perf_event	增加了对每个 group 的监测跟踪的能力，可以监测属于某个特定的 group 的所有线程以及运行在特定CPU上的线程

Cgroup的一些测试

测试CPU和内存使用情况

使用 stress 工具测试 CPU 和内存
使用 Dockerfile 来创建一个基于 Centos 的 stress 工具镜像

cd /optmkdir stresscd stress/vim DockerfileFROM centos:7
RUN yum install -y wget
RUN wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo
RUN yum install -y stressdocker build -t centos:stress .docker images

使用如下命令创建容器，命令中的–cpu-shares 参数值不能保证可以获得 1 个 vcpu 或 者多少 GHz 的 CPU 资源，它仅是一个弹性的加权值

docker run -itd --cpu-shares 100 centos:stress

说明：默认情况下，每个 Docker容器的CPU份额都是1024。单独一个容器的份额是没有意义的。只有在同时运行多个容器时，容器的 CPU 加权的效果才能体现出来。
例如，两个容 器 A、B 的 CPU 份额分别为 1000 和 500，在CPU进行时间片分配的时候，容器A比容器B多一倍的机会获得 CPU 的时间片。
但分配的结果取决于当时主机和其他容器的运行状态， 实际上也无法保证容器 A一定能获得CPU时间片。比如容器A的进程一直是空闲的，那么容器B是可以获取比容器A更多的CPU时间片的。极端情况下，例如主机上只运行了一个容器，即使它的 CPU 份额只有 50，它也可以独占整个主机的CPU资源。
Cgroups 只在容器分配的资源紧缺时，即在需要对容器使用的资源进行限制时，才会生效。因此，无法单纯根据某个容器的CPU份额来确定有多少CPU资源分配给它，
资源分配 结果取决于同时运行的其他容器的CPU分配和容器中进程运行情况。
可以通过 cpu share 可以设置容器使用 CPU 的优先级，比如启动了两个容器及运行查看 CPU 使用百分比

docker run -tid --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10
//容器产生10个子函数进程
docker exec -it 52e6d57e2838 /bin/bash
//进入容器使用top查看cpu使用情况
docker run -tid --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10
//再开启一个容器做比较
docker exec -it dcfdf89bcf95 /bin/bash
//进容器使用top对比两个容器的%CPU，比例是1:2

CPU 周期限制

Docker 提供了–cpu-period、–cpu-quota 两个参数控制容器可以分配到的 CPU 时钟周期。
–cpu-period 是用来指定容器对 CPU 的使用要在多长时间内做一次重新分配。
–cpu-quota 是用来指定在这个周期内，最多可以有多少时间用来跑这个容器。
与 --cpu-shares 不同的是,这种配置是指定一个绝对值，容器对 CPU 资源的使用绝对不会超过配置的值。
cpu-period 和 cpu-quota 的单位为微秒（μs）。cpu-period 的最小值为 1000 微秒， 最大值为 1 秒（10^6 μs），默认值为 0.1 秒（100000 μs）。
cpu-quota 的值默认为 -1， 表示不做控制。cpu-period 和 cpu-quota 参数一般联合使用。
例如：容器进程需要每 1 秒使用单个 CPU 的 0.2 秒时间，可以将 cpu-period 设置 为 1000000（即 1 秒），cpu-quota 设置为 200000（0.2 秒）。
当然，在多核情况下，如果允许容器进程完全占用两个 CPU，则可以将 cpu-period 设置为 100000（即 0.1 秒）， cpu-quota 设置为 200000（0.2 秒）

docker run -itd --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stressdocker exec -it 7b0684aecd8a bashcat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_uscat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us

CPU Core 控制

对多核 CPU 的服务器，Docker 还可以控制容器运行使用哪些 CPU 内核，即使用–cpuset-cpus 参数。
这对具有多 CPU 的服务器尤其有用，可以对需要高性能计算的容器进行性能最优的配置

docker run -itd --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress docker exec -it cpu1 bashcat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus

通过下面指令可以看到容器中进程与 CPU 内核的绑定关系，达到绑定 CPU 内核的目的

docker exec cpu1 taskset -c -p 1

CPU 配额控制参数的混合使用

通过 cpuset-cpus 参数指定容器 A 使用 CPU 内核 0，容器 B 只是用 CPU 内核 1。
在主机上只有这两个容器使用对应 CPU 内核的情况，它们各自占用全部的内核资源，cpu-shares 没有明显效果。
cpuset-cpus、cpuset-mems 参数只在多核、多内存节点上的服务器上有效，并且必须与实际的物理配置匹配，否则也无法达到资源控制的目的。
在系统具有多个 CPU 内核的情况下，需要通过 cpuset-cpus 参数为设置容器 CPU 内核才能方便地进行测试。

//宿主系统修改为4核心CPU

docker run -itd --name cpu3 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1docker run -tid --name cpu4 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1docker exec -it cpu3 bash
docker exec -it cpu4 bash
top  //记住按1查看每个核心的占用

总结：上面的 centos:stress 镜像安装了 stress 工具，用来测试 CPU 和内存的负载。通过 在两个容器上分别执行 stress -c 1 命令，
将会给系统一个随机负载，产生 1 个进程。这 个进程都反复不停的计算由 rand() 产生随机数的平方根，直到资源耗尽。
观察到宿主机上的 CPU 使用率，第三个内核的使用率接近 100%， 并且一批进程的 CPU 使用率明显存在 2:1 的使用比例的对比

内存限额

与操作系统类似，容器可使用的内存包括两部分：物理内存和 Swap。
Docker 通过下面两组参数来控制容器内存的使用量

-m 或 --memory：设置内存的使用限额，例如 100M、1024M。 
--memory-swap：设置 内存+swap 的使用限额。

执行如下命令允许该容器最多使用 200M 的内存和 300M 的 swap

docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 280M
--vm 1：启动 1 个内存工作线程。 
--vm-bytes 280M：每个线程分配 280M 内存。

默认情况下，容器可以使用主机上的所有空闲内存。
与 CPU 的 cgroups 配置类似， Docker 会自动为容器在目录 /sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器的完整长 ID>
中创建相应 cgroup 配置文件
如果让工作线程分配的内存超过 300M，分配的内存超过限额，stress 线程报错，容器 退出。

docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 310M

Block IO 的限制

默认情况下，所有容器能平等地读写磁盘，可以通过设置–blkio-weight 参数来改变 容器 block IO 的优先级。
–blkio-weight 与 --cpu-shares 类似，设置的是相对权重值，默认为 500。
在下面 的例子中，容器 A 读写磁盘的带宽是容器 B 的两倍

docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weightdocker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress
cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight

bps 和 iops的限制

概念：

bps 是 byte per second，每秒读写的数据量。
iops 是 io per second，每秒 IO 的次数。

可通过以下参数控制容器的 bps 和 iops：

--device-read-bps，限制读某个设备的 bps。
--device-write-bps，限制写某个设备的 bps。
--device-read-iops，限制读某个设备的 iops。
--device-write-iops，限制写某个设备的 iops。

下面的示例是限制容器写 /dev/sda 的速率为 5 MB/s。

docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stressdd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct //可以按ctrl+c中断查看

通过 dd 命令测试在容器中写磁盘的速度。因为容器的文件系统是在 host /dev/sda 上 的，
在容器中写文件相当于对 host /dev/sda 进行写操作。另外，oflag=direct 指定用 direct IO 方式写文件，
这样 --device-write-bps 才能生效。
结果表明限速 5MB/s 左右。作为对比测试，如果不限速，结果如下。

docker run -it centos:stressdd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct