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Docker 容器使用 cgroups 限制资源使用

 

1. 基础知识:Linux control groups

1.1 概念

Linux Cgroup 可让您为系统中所运行任务(进程)的用户定义组群分配资源 — 比如 CPU 时间、系统内存、网络带宽或者这些资源的组合。您可以监控您配置的 cgroup,拒绝 cgroup 访问某些资源,甚至在运行的系统中动态配置您的 cgroup。所以,可以将 controll groups 理解为 controller (system resource) (for) (process)groups,也就是是说它以一组进程为目标进行系统资源分配和控制。

它主要提供了如下功能:

  • Resource limitation: 限制资源使用,比如内存使用上限以及文件系统的缓存限制。
  • Prioritization: 优先级控制,比如:CPU利用和磁盘IO吞吐。
  • Accounting: 一些审计或一些统计,主要目的是为了计费。
  • Control: 挂起进程,恢复执行进程。

使用 cgroup,系统管理员可更具体地控制对系统资源的分配、优先顺序、拒绝、管理和监控。可更好地根据任务和用户分配硬件资源,提高总体效率。

在实践中,系统管理员一般会利用CGroup做下面这些事(有点像为某个虚拟机分配资源似的):

  • 隔离一个进程集合(比如:nginx的所有进程),并限制他们所消费的资源,比如绑定CPU的核。
  • 为这组进程分配其足够使用的内存
  • 为这组进程分配相应的网络带宽和磁盘存储限制
  • 限制访问某些设备(通过设置设备的白名单)

Linux 系统中,一切皆文件。Linux 也将 cgroups 实现成了文件系统,方便用户使用。在我的 Ubuntu 14.04 测试环境中:

我们看到 /sys/fs/cgroup 目录中有若干个子目录,我们可以认为这些都是受 cgroups 控制的资源以及这些资源的信息。

  • 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,并自动生成内存资源使用报告。
  • 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。
  • net_prio — 这个子系统用来设计网络流量的优先级
  • 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。

默认的话,在 Ubuntu 系统中,你可能看不到 net_cls 和 net_prio 目录,它们需要你手工做 mount:

1.2 实验

1.2.1 通过 cgroups 限制进程的 CPU

写一段最简单的 C 程序:

编译,运行,发现它占用的 CPU 几乎到了 100%:

接下来我们做如下操作:

它占用的 CPU 几乎就是 20%,也就是我们预设的阈值。这说明我们通过上面的步骤,成功地将这个进程运行所占用的 CPU 资源限制在某个阈值之内了。

如果此时再启动另一个 hello 进程并将其 id 加入 tasks 文件,则两个进程会共享设定的 CPU 限制:

1.2.2 通过 cgroups 限制进程的 Memory

同样地,我们针对它占用的内存做如下操作:

上面的步骤会把进程 2428 说占用的内存阈值设置为 64K。超过的话,它会被杀掉。

1.2.3 限制进程的 I/O

运行命令:

通过 iotop 命令看 IO (此时磁盘在快速转动),此时其写速度为 242M/s:

接着做下面的操作:

结果,这个进程的IO 速度就被限制在 1Mb/s 之内了:

1.3 术语

cgroups 的术语包括:

  • 任务(Tasks):就是系统的一个进程。
  • 控制组(Control Group):一组按照某种标准划分的进程,比如官方文档中的Professor和Student,或是WWW和System之类的,其表示了某进程组。Cgroups中的资源控制都是以控制组为单位实现。一个进程可以加入到某个控制组。而资源的限制是定义在这个组上,就像上面示例中我用的 hello 一样。简单点说,cgroup的呈现就是一个目录带一系列的可配置文件。
  • 层级(Hierarchy):控制组可以组织成hierarchical的形式,既一颗控制组的树(目录结构)。控制组树上的子节点继承父结点的属性。简单点说,hierarchy就是在一个或多个子系统上的cgroups目录树。
  • 子系统(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。Cgroup的子系统可以有很多,也在不断增加中。

2. Docker 对 cgroups 的使用

2.1 默认情况

默认情况下,Docker 启动一个容器后,会在 /sys/fs/cgroup 目录下的各个资源目录下生成以容器 ID 为名字的目录(group),比如:

此时 cpu.cfs_quota_us 的内容为 -1,表示默认情况下并没有限制容器的 CPU 使用。在容器被 stopped 后,该目录被删除。

运行命令 docker run -d --name web41 --cpu-quota 25000 --cpu-period 100 --cpu-shares 30 training/webapp python app.py 启动一个新的容器,结果:

Docker 会将容器中的进程的 ID 加入到各个资源对应的 tasks 文件中。表示 Docker 也是以上面的机制来使用 cgroups 对容器的 CPU 使用进行限制。

相似地,可以通过 docker run 中 mem 相关的参数对容器的内存使用进行限制:

比如  docker run -d --name web42 --blkio-weight 100 --memory 10M --cpu-quota 25000 --cpu-period 2000 --cpu-shares 30 training/webapp python app.py:


root@devstack:/sys/fs/cgroup/blkio/docker/ec8d850ebbabaf24df572cb5acd89a6e7a953fe5aa5d3c6a69c4532f92b57410# cat blkio.weight
100

目前 docker 已经几乎支持了所有的 cgroups 资源,可以限制容器对包括 network,device,cpu 和 memory 在内的资源的使用,比如:

 2.2 net_cls

net_cls 和 tc 一起使用可用于限制进程发出的网络包所使用的网络带宽。当使用 cgroups network controll net_cls 后,指定进程发出的所有网络包都会被加一个 tag,然后就可以使用其他工具比如 iptables 或者 traffic controller (TC)来根据网络包上的 tag 进行流量控制。关于 TC 的文档,网上很多,这里不再赘述,只是用一个简单的例子来加以说明。

关于 classid,它的格式是 0xAAAABBBB,其中,AAAA 是十六进制的主ID(major number),BBBB 是十六进制的次ID(minor number)。因此,0X10001 表示 10:1,而 0x00010001 表示 1:!。

(1)首先在host 的网卡 eth0 上做如下设置:

tc qdisc del dev eth0 root                                        #删除已有的规则
tc qdisc add dev eth0 root handle 10: htb default 12
tc class add dev eth0 parent 10: classid 10:1 htb rate 1500kbit ceil 1500kbit burst 10k         #限速
tc filter add dev eth0 protocol ip parent 10:0 prio 1 u32 match ip protocol 1 0xff flowid 10:1  #只处理 ping 参数的网络包

其结果是:

  • 在网卡 eth0 上创建了一个 HTB root 队列,hangle 10: 表示队列句柄也就是major number 为 10
  • 创建一个分类 10:1,限制它的出发网络带宽为 80 kbit (千比特每秒)
  • 创建一个分类器,将 eth0 上 IP IMCP 协议 的 major ID 为 10 的 prio 为 1 的网络流量都分类到 10:1 类别

(2)启动容器

容器启动后,其 init 进程在host 上的 PID 就被加入到 tasks 文件中了:

设置 net_cls classid:

再在容器启动一个 ping 进程,其 ID 也被加入到 tasks 文件中了。

(3)查看tc 情况: tc -s -d class show dev eth0

Every 2.0s: tc -s class ls dev eth0 Wed Sep 21 04:07:56 2016

class htb 10:1 root prio 0 rate 1500Kbit ceil 1500Kbit burst 10Kb cburst 1599b
Sent 17836 bytes 182 pkt (dropped 0, overlimits 0 requeues 0)
rate 0bit 0pps backlog 0b 0p requeues 0
lended: 182 borrowed: 0 giants: 0
tokens: 845161 ctokens: 125161

我们可以看到 tc 已经在处理 ping 进程产生的数据包了。再来看一下 net_cls 和 ts 合作的限速效果:

其中:

  • 后两条说使用的 tc class 规则是 tc class add dev eth0 parent 10: classid 10:1 htb rate 1500kbit ceil 15kbit burst 10k
  • 前两条所使用的 tc class 规则是 tc class add dev eth0 parent 10: classid 10:1 htb rate 1500kbit ceil 10Mbit burst 10k

3. Docker run 命令中 cgroups 相关命令

一些说明:

1. cgroup 只能限制 CPU 的使用,而不能保证CPU的使用。也就是说, 使用 cpuset-cpus,可以让容器在指定的CPU或者核上运行,但是不能确保它独占这些CPU;cpu-shares 是个相对值,只有在CPU不够用的时候才其作用。也就是说,当CPU够用的时候,每个容器会分到足够的CPU;不够用的时候,会按照指定的比重在多个容器之间分配CPU。

2. 对内存来说,cgroups 可以限制容器最多使用的内存。使用 -m 参数可以设置最多可以使用的内存。

 

 

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