详解Linux Cgroup

Linux系统中经常有个需求就是希望能限制某个或者某些进程的分配资源。也就是能完成一组容器的概念，在这个容器中，有分配好的特定比例的cpu时间，IO时间，可用内存大小等。于是就出现了cgroup的概念，cgroup就是controller group，最初由google的工程师提出，后来被整合进Linux内核中。

Cgroup是将任意进程进行分组化管理的Linux内核功能。cgroup本身提供将进程进行分组化管理的功能和接口的基础结构。

而后的Android操作系统也就凭借着这个技术，为每个应用程序分配不同的cgroup，将每个程序进行隔离，达到了一个应用程序不会影响其他应用程序环境的目的。

cgroups子系统

1. cpu 子系统，主要限制进程的 cpu 使用率。
2. cpuacct 子系统，可以统计 cgroups 中的进程的 cpu 使用报告。
3. cpuset 子系统，可以为 cgroups 中的进程分配单独的 cpu 节点或者内存节点。
4. memory 子系统，可以限制进程的 memory 使用量。
5. blkio 子系统，可以限制进程的块设备 io。
6. devices 子系统，可以控制进程能够访问某些设备。
7. net_cls 子系统，可以标记 cgroups 中进程的网络数据包，然后可以使用 tc 模块（traffic control）对数据包进行控制。
8. net_prio — 这个子系统用来设计网络流量的优先级
9. freezer 子系统，可以挂起或者恢复 cgroups 中的进程。
10. ns 子系统，可以使不同 cgroups 下面的进程使用不同的 namespace
11. hugetlb — 这个子系统主要针对于HugeTLB系统进行限制，这是一个大页文件系统。

cgroups 层级结构（Hierarchy）

内核使用 cgroup 结构体来表示一个 control group 对某一个或者某几个 cgroups 子系统的资源限制。cgroup 结构体可以组织成一颗树的形式，每一棵cgroup 结构体组成的树称之为一个 cgroups 层级结构。

cgroups层级结构可以 attach 一个或者几个 cgroups 子系统，当前层级结构可以对其 attach 的 cgroups 子系统进行资源的限制。每一个 cgroups 子系统只能被 attach 到一个 cpu 层级结构中。

好好理解下这个图即可:

创建了 cgroups 层级结构中的节点（cgroup 结构体）之后，可以把进程加入到某一个节点的控制任务列表中，一个节点的控制列表中的所有进程都会受到当前节点的资源限制。同时某一个进程也可以被加入到不同的 cgroups 层级结构的节点中，因为不同的 cgroups 层级结构可以负责不同的系统资源。所以说进程和 cgroup 结构体是一个多对多的关系。

上面这个图从整体结构上描述了进程与 cgroups 之间的关系。最下面的P代表一个进程。每一个进程的描述符中有一个指针指向了一个辅助数据结构css_set（cgroups subsystem set）。 指向某一个css_set的进程会被加入到当前css_set的进程链表中。一个进程只能隶属于一个css_set，一个css_set可以包含多个进程，隶属于同一css_set的进程受到同一个css_set所关联的资源限制。

上图中的”M×N Linkage”说明的是css_set通过辅助数据结构可以与 cgroups 节点进行多对多的关联。但是 cgroups 的实现不允许css_set同时关联同一个cgroups层级结构下多个节点。 这是因为 cgroups 对同一种资源不允许有多个限制配置。

一个css_set关联多个 cgroups 层级结构的节点时，表明需要对当前css_set下的进程进行多种资源的控制。而一个 cgroups 节点关联多个css_set时，表明多个css_set下的进程列表受到同一份资源的相同限制。

实践操作

查看cgroup挂载点（centos7.5）:

 1 [root@k8s-master ~]# mount -t cgroup
 2 cgroup on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,xattr,release_agent=/usr/lib/systemd/systemd-cgroups-agent,name=systemd)
 3 cgroup on /sys/fs/cgroup/pids type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,pids)
 4 cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuset)
 5 cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory)
 6 cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuacct,cpu)
 7 cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,blkio)
 8 cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,freezer)
 9 cgroup on /sys/fs/cgroup/hugetlb type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,hugetlb)
10 cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,perf_event)
11 cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,devices)
12 cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,net_prio,net_cls)

创建隔离组

[root@k8s-master ~]# cd /sys/fs/cgroup/cpu

[root@k8s-master cpu]# mkdir cpu_test

目录创建完成会自动生成以下文件 [root@k8s-master cpu]# ls cpu_test/

写个死循环测试程序增加cpu使用率

 1 int main(void)
 2 {
 3     int i = 0;
 4     for(;;) i++;
 5     return 0;
 6 }

启动程序后cpu使用100%

默认-1不限制，现在改成20000，可以理解使用率限制在20%

[root@k8s-master cpu]# echo 20000 > /sys/fs/cgroup/cpu/cpu_test/cpu.cfs_quota_us

找到进程号增加到cpu tasks里面，在看top cpu使用率很快就下来

[root@k8s-master ~]# echo 23732 >> /sys/fs/cgroup/cpu/cpu_test/tasks

其它资源限制和cpu基本一致就先写这么多了

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