Cgroup概述_cg概念设计师

一、Cgroup的目的    

    Cgroup和namespa类似，也是将进程进程分组，但是目的与namespace不一样，namespace是为了隔离进程组之前的资源，而Cgroup是为了对一组进程进行统一的资源监控和限制。

二、为什么需要Cgroup

    在Linux里，对进程进程分组，比如Session group、process group等，后来需要追踪一组进程的内存和IO使用情况，出现了cgroup，用来统一对进程进行分组，并在分组的基础上对进程进程监控和资源控制管理等。

三、Cgroup中名词概念

    Cgroup可以指整个cgrop技术，也可以指一个具体的进程组。

    Cgroup是Linux下一种将进程按组管理的机制，在用户层面看，Cgroup技术就是可以把系统中的所有进程组织成一颗独立的树，每颗树都包含系统所有进程，树的每个节点就是一个进程组，而每颗树又和一个或者多个subsystem关联，树的作用是对进程分组，而subsystem作用是对这些组进行操作。

• subsystem：一个subsystem就是一个内核模块，它被关联到一颗Cgroup树之后，就会对树的每个节点(进程组)上做具体操作。subsystem也被称为resource controller，因为它主要用来调度和限制每个进程组资源，有时也可以将进程分组只是为了做监控，观察进程组的状态。例如,perf_event subsystem。目前Linux支持12中system，比如限制CPU的使用时间，限制使用内存，统计CPU使用情况，冻结和恢复一组进程等。
• 下面每个子系统都需要与内核的其它模块配合来完成资源控制，比如对CPU资源的限制是通过进程调度模块根据CPU子系统的配置来完成；对内存资源的限制是内存模块根据memoty子系统的配置来完成，对网络数据包的控制则需要Traffic Control子系统配合完成。
  

  subsystem	作用
  cpu	主要限制进程CPU使用率
  cpuacct	统计cgroups中进程的cpu使用率
  cpuset	为cgroups中进程分配单独的CPU节点(多核)或内存节点
  blkio	限制进程的块设备IO
  memory	限制进程的memory使用量
  devices	可以控制进程能够访问某些设备
  freezer	挂起或者恢复cgrops中进程
  net_cls	可以标记cgroups中进程的网络数据包，然后可以使用tc(traffic control)对数据包进程控制
  ns	可以使不同cgroups下面的进程使用不同的namespace

四、cgroups层级结构(Hierachy)

    内核使用cgroup结构体表示一个control group对某一个或者某几个cgroups子系统的资源限制。cgroup结构体可以组成一棵树，每一颗cgroup结构体组成的的树称为cgroup层级结构。cgroups层级结构可以attach一个或几个cgroups子系统，当前层级结构可以对其attach的cgroups子系统进行资源限制。每一个cgroups子系统只能被attach到一个cpu层级结构中

  上图表示两个cgroups层级结构，每一个层级结构中是一颗树形结构，树的每一个节点是一个cgroups结构体(比如cpu_cgrp，memory_cgrp)。第一个cgroups层级结构attach了cpu子系统和cpuacct子系统，当前

cgroups层级结构中的cgroups层级结构中的cgroup结构体就可以对cpu资源进进行限制，并且对进程的cpu使用情况进行统计。

    第二个cgroups层级结构中attach了memory子系统，当前cgroups层级结构中的cgroup结构体就可以对memory的资源进行限制。在每一个cgroups层级结构中，每一个节点(cgroup结构体)可以设置对资源不同的限制权重。比如上图中cgrp1组中的进程可以使用60%cpu时间片，而cgrp2组中的进程可以使用20%的cpu时间片。

 cgroup层级关系显示，CPU和Memory两个子系统有自己独立的层级系统而又通过Task group取得关联关系

相互关系：

每次在系统中创建新层级时，该系统中所有任务都是那个层级默认cgroup(root cgroup，此cgoup在创建层级时自动创建，后面在该层级中创建的cgroup都是此cgroup的后代)的初始成员；

• 同一个hierarchy可以附加到一个或者多个subsystem

• 一个subsystem可以附加到多个hierarchy，当且仅当这个hierarchy只有这一个subsystem，如下图，hierarchy B已经有了一个subsystem Memory，所以hierarchy不能attach到CPU这个subsystem中

• 同一个task不能属于同一个hierarchy的不同的cgroup：

• fork出的子进程在初始化状态与其父进程处于同一个cgroup。进程(task)在fork出自身时创建子任务(child task)默认与原task在同一个cgroup，但之后这个子任务可以被移动到其它cgroup中去，可以理解为这个子任务是一个独立的进程：

五、cgroups与进程

  在创建了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结构是一个多对多的关系。

    上图从总体结构描述了进程与cgroups之间的关系。最下面的P代表一个进程。每个进程的描述符中有一个指针指向一个辅助的数据结构css_set(cgroup subsystem set)。指向某一个 css_set的进程会被加入到当前的css_set的进程链表中。一个进程只能隶属一个css_set，一个css_set可以包含多个进程，隶属于同一css_set的进程受同一个css_set所管理的资源限制。

   “MXN Linkage”说明css_set通过辅助的数据结构可以与cgroups节点进行多对多的关联。但是cgroup实现不允许css_set同时关联同一个cgroup层级结构下的多个节点。这是因为cgroups对同一种资源不运行有多个限额配置。 

    一个ccs_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控制。而一个cgroups节点关联多个css_set时，表面多个css_set下的进行列表受到同一份资源的相同限制。

六、cgroups文件系统

    Linux使用多种数据结构在内核中实现了cgroups的配置，关联了进程和cgroups节点，那么Linux如何让用户态的进程使用到cgroups的功能呢？

    Linux内核有一个很强大的模块VFS(Virtual File System)。VFS能够把具体文件系统的细节隐藏起来，给用户态进程提供一个统一的文件系统API接口。cgroups也是通过VFS把功能暴露给用户态，cgroups与VFS衔接部分称为cgroups文件系统。

    VFS：

     VFS是一个内核抽象层，能够隐藏具体文件系统实现细节，从而给用户态提供一整套统一的API接口。VFS使用了一种通用文件系统的设计，具体的文件系统只要实现VFS的设计接口，就能够注册到VFS中，从而使内核可以读写这种文件系统。这很像面向对象设计中抽象类和子类之间的关系，抽象类负责对外接口的设计，子类负责具体的实现。其实，VFS本身就是用c语言实现的一套面向对象的接口。

    VFS通用文件模型中包含以下四种元数据结构：

    1. 超级块对象(superblock object) ，用于存放已经注册的文件系统信息。比如ext2，ext3等这些基础的磁盘文件系统，还用于读写socket的socket文件系统，以及当前用于读写cgroups文件系统等。

    2. 索引节点对象(inode object)，用于存放具体文件的信息。对于一般的磁盘文件系统而言，inode节点中一般会存放文件在硬盘中的存储块信息；对于socket文件系统，inode会存放socket的相关属性，而对于cgoups这样的特殊文件系统，inode会存放与cgroup节点相关的属性信息。这里比较重要的一部分叫做inode_operations的结构体，这个结构体定义了在具体文件系统中创建文件，删除文件等具体操作。

   3. 文件对象(file object)，一个文件对象表示一个进程打开的一个文件，文件对象是存放在进程文件描述符表里面的。同样这个文件中比较重要的部分是file_operations的结构体，这个结构体描述了具体的文件系统读写实现。当进程在某一个文件描述符上调用读写操作时，实际调用的时file_operations中定义的方法。对于普通的磁盘文件系统，file_operations中定义的就是普通块设备读写操作；对于socket文件系统，file_operations中定义的就是socket对应的send/recv等操作；而对于cgroups这样特殊的文件系统，file_operations中定义的就是操作cgroup结构体等具体实现。

4. 目录项对象(dentry object)：在每个文件系统中，内核在查找一个路径的文件时，会为内核路径上的每一个分量都生成一个目录项对象，通过目录项对象找到对应的indode对象，目录项对象一般会被缓存，从而提供内核查找速度。

基于VFS实现的文件系统，都必须实现VFS通用文件模型定义这些对象，并实现这些对象中定义的部分函数。cgroup文件系统也不例外：

static struct file_system_type cgroup_fs_type = {
    .name = "cgroup",
    .mount = cgroup_mount,       //安装cgroup文件系统要执行的函数
    .kill_sb = cgroup_kill_sb,  //卸载cgroup文件系统要执行的函数
}

   每次把一个cgroups子系统安装到某个转载点时，cgroup_mount方法都会被调用，这个方法生成一个cgroup_root(cgroup层级结构的根)并封装成超级块对象。

    cgroups超级块对象定义的操作：

static file_system_type cgroup_fs_type = {
    .statfs = simple_statfs,
    .drop_inode = generic_delelte_inode,
    .show_option = cgroup_show_options,
    .remount_fd = cgroup_remount,
}

 cgroups文件系统对inode对象和file对象定义的特殊实现：

static const struct inode_operations cgroup_dir_inode_operations = {
        .lookup = cgroup_lookup,
        .mkdir = cgroup_mkdir,
        .rmdir = cgroup_rmdir,
        .rename = cgroup_rename,
};

static const struct file_operations cgroup_file_operations = {
        .read = cgroup_file_read,
        .write = cgroup_file_write,
        .llseek = generic_file_llseek,
        .open = cgroup_file_open,
        .release = cgroup_file_release,
};

    cgroups通过实现VFS的通用文件系统模型，把cgroups层级结构的细节，隐藏在cgroups文件系统的这些实现函数中。从令一个方面说，用户在用户态对cgroups文件系统的操作，通过VFS转化为对cgroups层级结构的维护。通过这样的方式，内核把cgroups的功能暴露给用户态进程。

七、cgroups使用方法

#################cgroups文件系统挂载###########################

Linux用户使用mount命令挂载cgroup文件系统，

mount -t cgroup -o subsystems name /cgroup/name  #其中subsystems表示要挂载的cgroups子系统， /cgroup/name表示挂载点，这条命令同时在内核中创建了一个cgroups层级结构

 比如挂载cpu_set，cpu, cpuacct，memory 4个subsystem到cgroup/cpu_and_mem目录下，

mount -t cgroup -o remount, cpu,cpuset, cpu_acct,memory cpu_and mem /cgroup/cup_and_mem

在centos下，使用yum install libcgroup安装了cgroups模块之后，在/etc/cgfong.conf文件中自动生成cgroups子系统的挂载点：

mount {
    cpuset  = /cgroup/cpuset;
    cpu = /cgroup/cpu;
    cpuacct = /cgroup/cpuacct;
    memory  = /cgroup/memory;
    devices = /cgroup/devices;
    freezer = /cgroup/freezer;
    net_cls = /cgroup/net_cls;
    blkio   = /cgroup/blkio;
}

上面的每一条配置都等于展开的mount命令，例如

mount -t cgroup -o cpuset cpuset /cgroup/cpuset  #这样系统启动之后会自动把这些子系统挂载到相应的挂载点

#########子节点和进程############

    挂载某个cgroups子系统到挂载点后，就可以通过在挂载点下面建立文件夹或者使用cgcreate命令创建cgroups层级结构中的节点，比如通过命令

cgcreate -t sankkuai:sankuai -g cpu: test #就可以在cpu子系统下面建立一个名为test节点

[root@idx cpu]# ls
cgroup.event_control  cgroup.procs  cpu.cfs_period_us  cpu.cfs_quota_us  cpu.rt_period_us   cpu.rt_runtime_us  cpu.shares  cpu.stat  lxc  notify_on_release  release_agent  tasks  test

  然后可以通过写入需要的值到test下面不同文件，来配置需要限制的资源。每个子系统下面都可以进行多种不同的配置，需要配置的参数各不相同，详细的参数配置参考cgroups手册。可以使用cgset命令设置cgroups子系统参数，格式为

cgset -r parameter=value path_to_cgroup

  当删除某一个cgroup节点时候，可以使用cgdelete命令，比如要删除test节点，

cgdelete -r cpu:test #删除test节点

 把进程加入到cgroups子节点有很多方法，可以把pid写入到子节点下面的task文件中，也可以通过cgclassify添加进程

cgclassify -g subsystem:path_to_cgroup pidlist

   也可以直接使用cgexec在某个cgroups下启动进程

cgexec -g subsystem:path_to_cgoup command aguments

八、cgroups实践

   Docker在实现不同的Container之间资源隔离和控制的时候，可以创建复杂的cgroups节点和配置文件完成，对于同一个Container中的进程，可以把这些进程的PID添加到同一组cgroups子节点中达到对这些进程进行同样的资源限制。

九、cgroups优点

    1. 在cgroups引入内核之前，想要完成对某一个进程CPU使用率进行限制，只能通过nice命令调整进程的优先级，或者cpulimit命令限制进程使用进程的CPU使用率，缺点是无法限制一个进程组的资源使用限制，也无法完成Docker或者其它云平台所需的这一类轻型容器资源限制。

   2. 在cgroups之前，想要完成一个或者一组进程的物理内存使用率的限制，几乎不可能完成。使用cgroups提供的功能，可以轻易的限制限制系统内某一组物理内存占用率、对于网络包，设备访问或者io资源控制，cgroups同样提供了之前无法完成的精细化控制。

今天的文章Cgroup概述_cg概念设计师分享到此就结束了，感谢您的阅读。