icon

Sealos,在云桌面中运行分布式应用程序,像使用个人电脑一样使用云

icon

去看看👀

icon

扫码加入微信群,和云原生大佬们一起探讨云原生和不可描述的事情!

wechat qr code
 
今日天气
 
舔狗日记

Linux Cgroup 入门教程:基本概念
  1. 博客/

Linux Cgroup 入门教程:基本概念

··3047 字·7 分钟· · ·
Linux Cgroup
米开朗基杨
作者
米开朗基杨
云原生搬砖师 & Sealos 开发者布道师 & FastGPT 熟练工
Table of Contents
gptgod
FastGPT
Laf
Contact me
Linux Cgroup 入门系列 - 本文属于系列文章之一
Part : 本文

该系列文章总共分为三篇:

Linux Cgroups(Control groups) 是 Linux kernel 的一项功能:它是在一个系统中运行的层级制进程组,你可对其进行资源分配(如 CPU 时间、系统内存、网络带宽或者这些资源的组合)。通过使用 cgroup,系统管理员在分配、排序、拒绝、管理和监控系统资源等方面,可以进行精细化控制。硬件资源可以在应用程序和用户间智能分配,从而增加整体效率。

cgroup 和 namespace 类似,也是将进程进行分组,但它的目的和 namespace 不一样,namespace 是为了隔离进程组之间的资源,而 cgroup 是为了对一组进程进行统一的资源监控和限制。

cgroup 分 v1v2 两个版本,v1 实现较早,功能比较多,但是由于它里面的功能都是零零散散的实现的,所以规划的不是很好,导致了一些使用和维护上的不便,v2 的出现就是为了解决 v1 中这方面的问题,在最新的 4.5 内核中,cgroup v2 声称已经可以用于生产环境了,但它所支持的功能还很有限,随着 v2 一起引入内核的还有 cgroup namespace。v1 和 v2 可以混合使用,但是这样会更复杂,所以一般没人会这样用。

为什么需要 Cgroup
#

在 Linux 里,一直以来就有对进程进行分组的概念和需求,比如 session group, progress group 等,后来随着人们对这方面的需求越来越多,比如需要追踪一组进程的内存和 IO 使用情况等,于是出现了 cgroup,用来统一将进程进行分组,并在分组的基础上对进程进行监控和资源控制管理等。

什么是 Cgroup
#

术语 cgroup 在不同的上下文中代表不同的意思,可以指整个 Linux 的 cgroup 技术,也可以指一个具体进程组。

cgroup 是 Linux 下的一种将进程按组进行管理的机制,在用户层看来,cgroup 技术就是把系统中的所有进程组织成一颗一颗独立的树,每棵树都包含系统的所有进程,树的每个节点是一个进程组,而每颗树又和一个或者多个 subsystem 关联,树的作用是将进程分组,而 subsystem 的作用就是对这些组进行操作。为了更好地理解这个概念,我们可以用一个类比来帮助理解。

首先,cgroup 可以被理解为一个为进程 (程序的运行实例) 提供资源管理和限制的系统。在这个系统中,有多个不同的 subsystem (子系统),比如用于内存管理的 memory 子系统,用于 CPU 时间分配的 cpu 子系统等。每个子系统都负责管理系统的某个特定资源。

现在,我们可以将 hierarchy (层级) 想象成一个办公大楼,而每个 subsystem 则是大楼内的一个办公室。这个大楼 (hierarchy) 的设计是这样的:

  1. 每个办公室 (subsystem) 只能在一个大楼 (hierarchy) 中。这就好比一个团队 (比如财务团队) 只能在一个办公大楼里有一个办公室。他们不能在两个不同的大楼里同时有办公室。
  2. 同一个办公室 (subsystem) 不能同时在多个大楼 (hierarchy) 中。这就像是说,财务团队不能同时在 “A 大楼” 和 “B 大楼” 里都有办公室。

但是,不同的大楼可以有相同类型的办公室。例如,既可以在 “A 大楼” 也可以在 “B 大楼” 设有财务办公室,只不过这些办公室属于不同的团队。

在 cgroup 的上下文中,这意味着一个特定的 subsystem (比如内存管理) 可以在不同的 cgroup 层级中被配置和使用,但是在任何给定时间点,一个 subsystem 只能与一个 cgroup 层级相关联。

理解这一点对于配置和理解 Linux 资源管理至关重要,因为它决定了如何对不同的资源进行分组和限制。

来看一个更直观的例子:

  1. 父 cgroup 设置:假设你在 /sys/fs/cgroup/memory (我们称之为父 cgroup) 设置了最大内存使用量为 500MB。
  2. 子 cgroup 设置:然后你在 /sys/fs/cgroup/memory 下创建了一个子文件夹,也就是子 cgroup (我们称之为 cgroup A),并在其中设置了最大内存使用量为 100MB。

在这种情况下,尽管父 cgroup 的限制是 500MB,cgroup A 仅能使用 100MB 的内存。但是,如果你没有为 cgroup A 设置特定的限制,它将默认受到父 cgroup 的限制,即最多 500MB 内存。

现在,我们可以理解为什么 cgroup 中的 subsystem 不能属于多个 hierarchy。在上面的例子中,如果 memory 这个 subsystem 已经绑定到了一个特定的 hierarchy,你不能将它同时绑定到另一个 hierarchy。这意味着,虽然你可以在不同的 hierarchy 中设置内存限制,但任何时候 memory 这个 subsystem 都只能与一个 hierarchy 关联。

将资源看作一块饼
#

CentOS 7 系统中(包括 Red Hat Enterprise Linux 7),通过将 cgroup 层级系统与 systemd 单位树捆绑,可以把资源管理设置从进程级别移至应用程序级别。默认情况下,systemd 会自动创建 slicescopeservice 单位的层级(具体的意思稍后再解释),来为 cgroup 树提供统一结构。可以通过 systemctl 命令创建自定义 slice 进一步修改此结构。

如果我们将系统的资源看成一块馅饼,那么所有资源默认会被划分为 3 个 cgroup:System, UserMachine。每一个 cgroup 都是一个 slice,每个 slice 都可以有自己的子 slice,如下图所示:

图片描述: 20200723163321.jpg

下面我们以 CPU 资源为例,来解释一下上图中出现的一些关键词。

如上图所示,系统默认创建了 3 个顶级 sliceSystem, UserMachine),每个 slice 都会获得相同的 CPU 使用时间(仅在 CPU 繁忙时生效),如果 user.slice 想获得 100% 的 CPU 使用时间,而此时 CPU 比较空闲,那么 user.slice 就能够如愿以偿。这三种顶级 slice 的含义如下:

  • system.slice —— 所有系统 service 的默认位置
  • user.slice —— 所有用户会话的默认位置。每个用户会话都会在该 slice 下面创建一个子 slice,如果同一个用户多次登录该系统,仍然会使用相同的子 slice。
  • machine.slice —— 所有虚拟机和 Linux 容器的默认位置

控制 CPU 资源使用的其中一种方法是 shares。shares 用来设置 CPU 的相对值(你可以理解为权重),并且是针对所有的 CPU(内核),默认值是 1024。因此在上图中,httpd, sshd, crond 和 gdm 的 CPU shares 均为 1024,System, User 和 Machine 的 CPU shares 也是 1024

假设该系统上运行了 4 个 service,登录了两个用户,还运行了一个虚拟机。同时假设每个进程都要求使用尽可能多的 CPU 资源(每个进程都很繁忙)。

  • system.slice 会获得 33.333% 的 CPU 使用时间,其中每个 service 都会从 system.slice 分配的资源中获得 1/4 的 CPU 使用时间,即 8.25% 的 CPU 使用时间。
  • user.slice 会获得 33.333% 的 CPU 使用时间,其中每个登录的用户都会获得 16.5% 的 CPU 使用时间。假设有两个用户:tomjack,如果 tom 注销登录或者杀死该用户会话下的所有进程,jack 就能够使用 33.333% 的 CPU 使用时间。
  • machine.slice 会获得 33.333% 的 CPU 使用时间,如果虚拟机被关闭或处于 idle 状态,那么 system.slice 和 user.slice 就会从这 33.333% 的 CPU 资源里分别获得 50% 的 CPU 资源,然后均分给它们的子 slice。

如果想严格控制 CPU 资源,设置 CPU 资源的使用上限,即不管 CPU 是否繁忙,对 CPU 资源的使用都不能超过这个上限。可以通过以下两个参数来设置:

cpu.cfs_period_us = 统计CPU使用时间的周期,单位是微秒(us) 
cpu.cfs_quota_us = 周期内允许占用的CPU时间(指单核的时间,多核则需要在设置时累加) 

systemctl 可以通过 CPUQuota 参数来设置 CPU 资源的使用上限。例如,如果你想将用户 tom 的 CPU 资源使用上限设置为 20%,可以执行以下命令:

$ systemctl set-property user-1000.slice CPUQuota=20%

在使用命令 systemctl set-property 时,可以使用 tab 补全:

$ systemctl set-property user-1000.slice
AccuracySec=            CPUAccounting=          Environment=            LimitCPU=               LimitNICE=              LimitSIGPENDING=        SendSIGKILL=
BlockIOAccounting=      CPUQuota=               Group=                  LimitDATA=              LimitNOFILE=            LimitSTACK=             User=
BlockIODeviceWeight=    CPUShares=              KillMode=               LimitFSIZE=             LimitNPROC=             MemoryAccounting=       WakeSystem=
BlockIOReadBandwidth=   DefaultDependencies=    KillSignal=             LimitLOCKS=             LimitRSS=               MemoryLimit=
BlockIOWeight=          DeviceAllow=            LimitAS=                LimitMEMLOCK=           LimitRTPRIO=            Nice=
BlockIOWriteBandwidth=  DevicePolicy=           LimitCORE=              LimitMSGQUEUE=          LimitRTTIME=            SendSIGHUP=

这里有很多属性可以设置,但并不是所有的属性都是用来设置 cgroup 的,我们只需要关注 Block, CPUMemory

如果你想通过配置文件来设置 cgroup,service 可以直接在 /etc/systemd/system/xxx.service.d 目录下面创建相应的配置文件,slice 可以直接在 /run/systemd/system/xxx.slice.d 目录下面创建相应的配置文件。事实上通过 systemctl 命令行工具设置 cgroup 也会写到该目录下的配置文件中:

$ cat /run/systemd/system/user-1000.slice.d/50-CPUQuota.conf
[Slice]
CPUQuota=20%

查看对应的 cgroup 参数:

$ cat /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/user.slice/user-1000.slice/cpu.cfs_period_us
100000

$ cat /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/user.slice/user-1000.slice/cpu.cfs_quota_us
20000

这表示用户 tom 在一个使用周期内(100 毫秒)可以使用 20 毫秒的 CPU 时间。不管 CPU 是否空闲,该用户使用的 CPU 资源都不会超过这个限制。

CPUQuota 的值可以超过 100%,例如:如果系统的 CPU 是多核,且 CPUQuota 的值为 200%,那么该 slice 就能够使用 2 核的 CPU 时间。

总结
#

本文主要介绍了 cgroup 的一些基本概念,包括其在 CentOS 系统中的默认设置和控制工具,以 CPU 为例阐述 cgroup 如何对资源进行控制。下一篇文章将会通过具体的示例来观察不同的 cgroup 设置对性能的影响。

参考资料
#

Linux Cgroup 入门系列 - 本文属于系列文章之一
Part : 本文
-------他日江湖相逢 再当杯酒言欢-------

相关文章

Kubernetes 内存资源限制实战
·2378 字·5 分钟·
云原生 Cgroup Kubernetes
深入理解 Kubernetes 资源限制:CPU
·3868 字·8 分钟·
云原生 Cgroup Kubernetes
Linux 虚拟网卡技术:Macvlan
·3172 字·7 分钟·
网络 Macvlan
Kubernetes Pod 驱逐详解
·2217 字·5 分钟·
云原生 Kubernetes
在 Kubernetes 中实现零宕机部署应用
·3932 字·8 分钟·
云原生 Kubernetes
当 kube-proxy 遇到连接重置
·2895 字·6 分钟·
云原生 Kubernetes

公众号二维码