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linux udev，linux cgroup技術介紹

 2023-11-18 阅读 31 评论 0

摘要：原文:?http://coolshell.cn/articles/17049.html 前面，我們介紹了Linux Namespace，但是Namespace解決的問題主要是環境隔離的問題，這只是虛擬化中最最基礎的一步，我們還需要解決對計算機資源使用上的隔離。也就是說，雖然你通過Namespace把

原文:?http://coolshell.cn/articles/17049.html

前面，我們介紹了Linux Namespace，但是Namespace解決的問題主要是環境隔離的問題，這只是虛擬化中最最基礎的一步，我們還需要解決對計算機資源使用上的隔離。也就是說，雖然你通過Namespace把我Jail到一個特定的環境中去了，但是我在其中的進程使用用CPU、內存、磁盤等這些計算資源其實還是可以隨心所欲的。所以，我們希望對進程進行資源利用上的限制或控制。這就是Linux CGroup出來了的原因。

Linux CGroup全稱Linux Control Group， 是Linux內核的一個功能，用來限制，控制與分離一個進程組群的資源（如CPU、內存、磁盤輸入輸出等）。這個項目最早是由Google的工程師在2006年發起（主要是Paul Menage和Rohit Seth），最早的名稱為進程容器（process containers）。在2007年時，因為在Linux內核中，容器（container）這個名詞太過廣泛，為避免混亂，被重命名為cgroup，并且被合并到2.6.24版的內核中去。然后，其它開始了他的發展。

Linux CGroupCgroup 可???讓???您???為???系???統???中???所???運???行???任???務???（進???程???）的???用???戶???定???義???組???群???分???配???資???源??? — 比???如??? CPU 時???間???、???系???統???內???存???、???網???絡???帶???寬???或???者???這???些???資???源???的???組???合???。???您???可???以???監???控???您???配???置???的??? cgroup，拒???絕??? cgroup 訪???問???某???些???資???源???，甚???至???在???運???行???的???系???統???中???動???態???配???置???您???的??? cgroup。

主要提供了如下功能：

linux udev。?

  • Resource limitation: 限制資源使用，比如內存使用上限以及文件系統的緩存限制。
  • Prioritization: 優先級控制，比如：CPU利用和磁盤IO吞吐。
  • Accounting: 一些審計或一些統計，主要目的是為了計費。
  • Control: 掛起進程，恢復執行進程。

使???用??? cgroup，系???統???管???理???員???可???更???具???體???地???控???制???對???系???統???資???源???的???分???配???、???優???先???順???序???、???拒???絕???、???管???理???和???監???控???。???可???更???好???地???根???據???任???務???和???用???戶???分???配???硬???件???資???源???，提???高???總???體???效???率???。

在實踐中，系統管理員一般會利用CGroup做下面這些事（有點像為某個虛擬機分配資源似的）：

  • 隔離一個進程集合（比如：nginx的所有進程），并限制他們所消費的資源，比如綁定CPU的核。
  • 為這組進程 分配其足夠使用的內存
  • 為這組進程分配相應的網絡帶寬和磁盤存儲限制
  • 限制訪問某些設備（通過設置設備的白名單）

那么CGroup是怎么干的呢？我們先來點感性認識吧。

首先，Linux把CGroup這個事實現成了一個file system，你可以mount。在我的Ubuntu 14.04下，你輸入以下命令你就可以看到cgroup已為你mount好了。

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cgroup查看，2

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國內linux？8

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hchen@ubuntu:~$ mount -t cgroup

shell開發。cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,relatime,cpuset)

cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu type cgroup (rw,relatime,cpu)

cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuacct type cgroup (rw,relatime,cpuacct)

cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,relatime,memory)

cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,relatime,devices)

cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,relatime,freezer)

linux容器技術、cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,relatime,blkio)

cgroup on /sys/fs/cgroup/net_prio type cgroup (rw,net_prio)

cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls type cgroup (rw,net_cls)

cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,relatime,perf_event)

cgroup on /sys/fs/cgroup/hugetlb type cgroup (rw,relatime,hugetlb)

或者使用lssubsys命令：

ubuntu source。1

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LINUX教程？7

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深度linux，$ lssubsys? -m

cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset

cpu /sys/fs/cgroup/cpu

cpuacct /sys/fs/cgroup/cpuacct

memory /sys/fs/cgroup/memory

devices /sys/fs/cgroup/devices

linux是什么。freezer /sys/fs/cgroup/freezer

blkio /sys/fs/cgroup/blkio

net_cls /sys/fs/cgroup/net_cls

net_prio /sys/fs/cgroup/net_prio

perf_event /sys/fs/cgroup/perf_event

hugetlb /sys/fs/cgroup/hugetlb

docker cgroup、我們可以看到，在/sys/fs下有一個cgroup的目錄，這個目錄下還有很多子目錄，比如： cpu，cpuset，memory，blkio……這些，這些都是cgroup的子系統。分別用于干不同的事的。

如果你沒有看到上述的目錄，你可以自己mount，下面給了一個示例：

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cgroup的功能是什么？5

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mkdir cgroup

mount -t tmpfs cgroup_root ./cgroup

cgroup namespace。mkdir cgroup/cpuset

mount -t cgroup -ocpuset cpuset ./cgroup/cpuset/

mkdir cgroup/cpu

mount -t cgroup -ocpu cpu ./cgroup/cpu/

mkdir cgroup/memory

mount -t cgroup -omemory memory ./cgroup/memory/

cgroup詳解。一旦mount成功，你就會看到這些目錄下就有好文件了，比如，如下所示的cpu和cpuset的子系統：

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linux面試題及答案100。6

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linux和windows的區別、12

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hchen@ubuntu:~$ ls /sys/fs/cgroup/cpu /sys/fs/cgroup/cpuset/

/sys/fs/cgroup/cpu:

cgroup.clone_children? cgroup.sane_behavior? cpu.shares???????? release_agent

LINUX系統？cgroup.event_control?? cpu.cfs_period_us???? cpu.stat?????????? tasks

cgroup.procs?????????? cpu.cfs_quota_us????? notify_on_release? user

?

/sys/fs/cgroup/cpuset/:

cgroup.clone_children? cpuset.mem_hardwall???????????? cpuset.sched_load_balance

cgroup.event_control?? cpuset.memory_migrate?????????? cpuset.sched_relax_domain_level

深入理解linux網絡技術？cgroup.procs?????????? cpuset.memory_pressure????????? notify_on_release

cgroup.sane_behavior?? cpuset.memory_pressure_enabled? release_agent

cpuset.cpu_exclusive?? cpuset.memory_spread_page?????? tasks

cpuset.cpus??????????? cpuset.memory_spread_slab?????? user

cpuset.mem_exclusive?? cpuset.mems

你可以到/sys/fs/cgroup的各個子目錄下去make個dir，你會發現，一旦你創建了一個子目錄，這個子目錄里又有很多文件了。

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hchen@ubuntu:/sys/fs/cgroup/cpu$ sudo mkdir haoel

[sudo] password for hchen:

hchen@ubuntu:/sys/fs/cgroup/cpu$ ls ./haoel

cgroup.clone_children? cgroup.procs?????? cpu.cfs_quota_us? cpu.stat?????????? tasks

cgroup.event_control?? cpu.cfs_period_us? cpu.shares??????? notify_on_release

好了，我們來看幾個示例。

CPU 限制

假設，我們有一個非常吃CPU的程序，叫deadloop，其源碼如下：

DEADLOOP.C

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int main(void)

{

????int i = 0;

????for(;;) i++;

????return 0;

}

用sudo執行起來后，毫無疑問，CPU被干到了100%（下面是top命令的輸出）

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PID USER????? PR? NI??? VIRT??? RES??? SHR S %CPU %MEM???? TIME+ COMMAND????

3529 root????? 20?? 0??? 4196??? 736??? 656 R 99.6? 0.1?? 0:23.13 deadloop

然后，我們這前不是在/sys/fs/cgroup/cpu下創建了一個haoel的group。我們先設置一下這個group的cpu利用的限制：

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hchen@ubuntu:~# cat /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/cpu.cfs_quota_us

-1

root@ubuntu:~# echo 20000 > /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/cpu.cfs_quota_us

我們看到，這個進程的PID是3529，我們把這個進程加到這個cgroup中：

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# echo 3529 >> /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/tasks

然后，就會在top中看到CPU的利用立馬下降成20%了。（前面我們設置的20000就是20%的意思）

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PID USER????? PR? NI??? VIRT??? RES??? SHR S %CPU %MEM???? TIME+ COMMAND????

3529 root????? 20?? 0??? 4196??? 736??? 656 R 19.9? 0.1?? 8:06.11 deadloop

下面的代碼是一個線程的示例：

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#define _GNU_SOURCE???????? /* See feature_test_macros(7) */

?

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/stat.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/syscall.h>

?

?

const int NUM_THREADS = 5;

?

void *thread_main(void *threadid)

{

????/* 把自己加入cgroup中（syscall(SYS_gettid)為得到線程的系統tid） */

????char cmd[128];

????sprintf(cmd, "echo %ld >> /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/tasks", syscall(SYS_gettid));

????system(cmd);

????sprintf(cmd, "echo %ld >> /sys/fs/cgroup/cpuset/haoel/tasks", syscall(SYS_gettid));

????system(cmd);

?

????long tid;

????tid = (long)threadid;

????printf("Hello World! It's me, thread #%ld, pid #%ld!\n", tid, syscall(SYS_gettid));

?????

????int a=0;

????while(1) {

????????a++;

????}

????pthread_exit(NULL);

}

int main (int argc, char *argv[])

{

????int num_threads;

????if (argc > 1){

????????num_threads = atoi(argv[1]);

????}

????if (num_threads<=0 || num_threads>=100){

????????num_threads = NUM_THREADS;

????}

?

????/* 設置CPU利用率為50% */

????mkdir("/sys/fs/cgroup/cpu/haoel", 755);

????system("echo 50000 > /sys/fs/cgroup/cpu/haoel/cpu.cfs_quota_us");

?

????mkdir("/sys/fs/cgroup/cpuset/haoel", 755);

????/* 限制CPU只能使用#2核和#3核 */

????system("echo \"2,3\" > /sys/fs/cgroup/cpuset/haoel/cpuset.cpus");

?

????pthread_t* threads = (pthread_t*) malloc (sizeof(pthread_t)*num_threads);

????int rc;

????long t;

????for(t=0; t<num_threads; t++){

????????printf("In main: creating thread %ld\n", t);

????????rc = pthread_create(&threads[t], NULL, thread_main, (void *)t);

????????if (rc){

????????????printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc);

????????????exit(-1);

????????}

????}

?

????/* Last thing that main() should do */

????pthread_exit(NULL);

????free(threads);

}

內存使用限制

我們再來看一個限制內存的例子（下面的代碼是個死循環，其它不斷的分配內存，每次512個字節，每次休息一秒）：

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#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

?

int main(void)

{

????int size = 0;

????int chunk_size = 512;

????void *p = NULL;

?

????while(1) {

?

????????if ((p = malloc(p, chunk_size)) == NULL) {

????????????printf("out of memory!!\n");

????????????break;

????????}

????????memset(p, 1, chunk_size);

????????size += chunk_size;

????????printf("[%d] - memory is allocated [%8d] bytes \n", getpid(), size);

????????sleep(1);

????}

????return 0;

}

然后，在我們另外一邊：

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# 創建memory cgroup

$ mkdir /sys/fs/cgroup/memory/haoel

$ echo 64k > /sys/fs/cgroup/memory/haoel/memory.limit_in_bytes

?

# 把上面的進程的pid加入這個cgroup

$ echo [pid] > /sys/fs/cgroup/memory/haoel/tasks

你會看到，一會上面的進程就會因為內存問題被kill掉了。

磁盤I/O限制

我們先看一下我們的硬盤IO，我們的模擬命令如下：（從/dev/sda1上讀入數據，輸出到/dev/null上）

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sudo dd if=/dev/sda1 of=/dev/null

我們通過iotop命令我們可以看到相關的IO速度是55MB/s（虛擬機內）：

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TID? PRIO? USER???? DISK READ? DISK WRITE? SWAPIN???? IO>??? COMMAND?????????

8128 be/4 root?????? 55.74 M/s??? 0.00 B/s? 0.00 % 85.65 % dd if=/de~=/dev/null...

然后，我們先創建一個blkio（塊設備IO）的cgroup

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mkdir /sys/fs/cgroup/blkio/haoel

并把讀IO限制到1MB/s，并把前面那個dd命令的pid放進去（注：8:0 是設備號，你可以通過ls -l /dev/sda1獲得）：

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root@ubuntu:~# echo '8:0 1048576'? > /sys/fs/cgroup/blkio/haoel/blkio.throttle.read_bps_device

root@ubuntu:~# echo 8128 > /sys/fs/cgroup/blkio/haoel/tasks

再用iotop命令，你馬上就能看到讀速度被限制到了1MB/s左右。

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TID? PRIO? USER???? DISK READ? DISK WRITE? SWAPIN???? IO>??? COMMAND?????????

8128 be/4 root????? 973.20 K/s??? 0.00 B/s? 0.00 % 94.41 % dd if=/de~=/dev/null...

CGroup的子系統

好了，有了以上的感性認識我們來，我們來看看control group有哪些子系統：

???

  • blkio — 這???個???子???系???統???為???塊???設???備???設???定???輸???入???/輸???出???限???制???，比???如???物???理???設???備???（磁???盤???，固???態???硬???盤???，USB 等???等???）。
  • cpu — 這???個???子???系???統???使???用???調???度???程???序???提???供???對??? CPU 的??? cgroup 任???務???訪???問???。???
  • cpuacct — 這???個???子???系???統???自???動???生???成??? cgroup 中???任???務???所???使???用???的??? CPU 報???告???。???
  • cpuset — 這???個???子???系???統???為??? cgroup 中???的???任???務???分???配???獨???立??? CPU（在???多???核???系???統???）和???內???存???節???點???。???
  • devices — 這???個???子???系???統???可???允???許???或???者???拒???絕??? cgroup 中???的???任???務???訪???問???設???備???。???
  • freezer — 這???個???子???系???統???掛???起???或???者???恢???復??? cgroup 中???的???任???務???。???
  • memory — 這???個???子???系???統???設???定??? cgroup 中???任???務???使???用???的???內???存???限???制???，并???自???動???生???成?????內???存???資???源使用???報???告???。???
  • net_cls — 這???個???子???系???統???使???用???等???級???識???別???符???（classid）標???記???網???絡???數???據???包???，可???允???許??? Linux 流???量???控???制???程???序???（tc）識???別???從???具???體??? cgroup 中???生???成???的???數???據???包???。???
  • net_prio — 這個子系統用來設計網絡流量的優先級
  • hugetlb — 這個子系統主要針對于HugeTLB系統進行限制，這是一個大頁文件系統。

注意，你可能在Ubuntu 14.04下看不到net_cls和net_prio這兩個cgroup，你需要手動mount一下：

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$ sudo modprobe cls_cgroup

$ sudo mkdir /sys/fs/cgroup/net_cls

$ sudo mount -t cgroup -o net_cls none /sys/fs/cgroup/net_cls

?

$ sudo modprobe netprio_cgroup

$ sudo mkdir /sys/fs/cgroup/net_prio

$ sudo mount -t cgroup -o net_prio none /sys/fs/cgroup/net_prio

關于各個子系統的參數細節，以及更多的Linux CGroup的文檔，你可以看看下面的文檔：

  • Linux Kernel的官方文檔
  • Redhat的官方文檔

CGroup的術語

CGroup有下述術語：

  • 任務（Tasks）：就是系統的一個進程。
  • 控制組（Control Group）：一組按照某種標準劃分的進程，比如官方文檔中的Professor和Student，或是WWW和System之類的，其表示了某進程組。Cgroups中的資源控制都是以控制組為單位實現。一個進程可以加入到某個控制組。而資源的限制是定義在這個組上，就像上面示例中我用的haoel一樣。簡單點說，cgroup的呈現就是一個目錄帶一系列的可配置文件。
  • 層級（Hierarchy）：控制組可以組織成hierarchical的形式，既一顆控制組的樹（目錄結構）。控制組樹上的子節點繼承父結點的屬性。簡單點說，hierarchy就是在一個或多個子系統上的cgroups目錄樹。
  • 子系統（Subsystem）：一個子系統就是一個資源控制器，比如CPU子系統就是控制CPU時間分配的一個控制器。子系統必須附加到一個層級上才能起作用，一個子系統附加到某個層級以后，這個層級上的所有控制族群都受到這個子系統的控制。Cgroup的子系統可以有很多，也在不斷增加中。

下一代的CGroup

上面，我們可以看到，CGroup的一些常用方法和相關的術語。一般來說，這樣的設計在一般情況下還是沒什么問題的，除了操作上的用戶體驗不是很好，但基本滿足我們的一般需求了。

不過，對此，有個叫Tejun Heo的同學非常不爽，他在Linux社區里對cgroup吐了一把槽，還引發了內核組的各種討論。

對于Tejun Heo同學來說，cgroup設計的相當糟糕。他給出了些例子，大意就是說，如果有多種層級關系，也就是說有多種對進程的分類方式，比如，我們可以按用戶來分，分成Professor和Student，同時，也有按應用類似來分的，比如WWW和NFS等。那么，當一個進程即是Professor的，也是WWW的，那么就會出現多層級正交的情況，從而出現對進程上管理的混亂。另外，一個case是，如果有一個層級A綁定cpu，而層級B綁定memory，還有一個層級C綁定cputset，而有一些進程有的需要AB，有的需要AC，有的需要ABC，管理起來就相當不易。

層級操作起來比較麻煩，而且如果層級變多，更不易于操作和管理，雖然那種方式很好實現，但是在使用上有很多的復雜度。你可以想像一個圖書館的圖書分類問題，你可以有各種不同的分類，分類和圖書就是一種多對多的關系。

所以，在Kernel 3.16后，引入了unified hierarchy的新的設計，這個東西引入了一個叫__DEVEL__sane_behavior的特性（這個名字很明顯意味目前還在開發試驗階段），它可以把所有子系統都掛載到根層級下，只有葉子節點可以存在tasks，非葉子節點只進行資源控制。

我們mount一下看看：

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$ sudo mount -t cgroup -o __DEVEL__sane_behavior cgroup ./cgroup

?

$ ls ./cgroup

cgroup.controllers? cgroup.procs? cgroup.sane_behavior? cgroup.subtree_control

?

$ cat ./cgroup/cgroup.controllers

cpuset cpu cpuacct memory devices freezer net_cls blkio perf_event net_prio hugetlb

我們可以看到有四個文件，然后，你在這里mkdir一個子目錄，里面也會有這四個文件。上級的cgroup.subtree_control控制下級的cgroup.controllers。

舉個例子：假設我們有以下的目錄結構，b代表blkio，m代碼memory，其中，A是root，包括所有的子系統（）。

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# A(b,m) - B(b,m) - C (b)

#?????????????? \ - D (b) - E

?

# 下面的命令中， +表示enable， -表示disable

?

# 在B上的enable blkio

# echo +blkio > A/cgroup.subtree_control

?

# 在C和D上enable blkio

# echo +blkio > A/B/cgroup.subtree_control

?

# 在B上enable memory?

# echo +memory > A/cgroup.subtree_control

在上述的結構中，

  • cgroup只有上線控制下級，無法傳遞到下下級。所以，C和D中沒有memory的限制，E中沒有blkio和memory的限制。而本層的cgroup.controllers文件是個只讀的，其中的內容就看上級的subtree_control里有什么了。
  • 任何被配置過subtree_control的目錄都不能綁定進程，根結點除外。所以，A,C,D,E可以綁上進程，但是B不行。

我們可以看到，這種方式干凈的區分開了兩個事，一個是進程的分組，一個是對分組的資源控制（以前這兩個事完全混在一起），在目錄繼承上增加了些限制，這樣可以避免一些模棱兩可的情況。

當然，這個事還在演化中，cgroup的這些問題這個事目前由cgroup的吐槽人Tejun Heo和華為的Li Zefan同學負責解決中。總之，這是一個系統管理上的問題，而且改變會影響很多東西，但一旦方案確定，老的cgroup方式將一去不復返。

參考

  • Linux Kernel Cgroup Documents
  • Reahat Resource Management Guide
  • Fixing control groups
  • The unified control group hierarchy in 3.16
  • Cgroup v2(PDF)

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原文链接：https://808629.com/177559.html

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