CGroup 介绍、应用实例及原理描述

CGroup 介绍

CGroup 是 Control Groups 的缩写，是 Linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组 (process groups) 所使用的物力资源 (如 cpu memory i/o 等等) 的机制。2007 年进入 Linux 2.6.24 内核，CGroups 不是全新创造的，它将进程管理从 cpuset 中剥离出来，作者是 Google 的 Paul Menage。CGroups 也是 LXC 为实现虚拟化所使用的资源管理手段。

CGroup 功能及组成

CGroup 是将任意进程进行分组化管理的 Linux 内核功能。CGroup 本身是提供将进程进行分组化管理的功能和接口的基础结构，I/O 或内存的分配控制等具体的资源管理功能是通过这个功能来实现的。这些具体的资源管理功能称为 CGroup 子系统或控制器。CGroup 子系统有控制内存的 Memory 控制器、控制进程调度的 CPU 控制器等。运行中的内核可以使用的 Cgroup 子系统由/proc/cgroup 来确认。

CGroup 提供了一个 CGroup 虚拟文件系统，作为进行分组管理和各子系统设置的用户接口。要使用 CGroup，必须挂载 CGroup 文件系统。这时通过挂载选项指定使用哪个子系统。

Cgroups提供了以下功能：
    1.限制进程组可以使用的资源数量（Resource limiting ）。比如：memory子系统可以为进程组设定一个memory使用上限，一旦进程组使用的内存达到限额再申请内存，就会出发OOM（out of memory）。
    2.进程组的优先级控制（Prioritization ）。比如：可以使用cpu子系统为某个进程组分配特定cpu share。
    3.记录进程组使用的资源数量（Accounting ）。比如：可以使用cpuacct子系统记录某个进程组使用的cpu时间
    4.进程组隔离（Isolation）。比如：使用ns子系统可以使不同的进程组使用不同的namespace，以达到隔离的目的，不同的进程组有各自的进程、网络、文件系统挂载空间。
    5.进程组控制（Control）。比如：使用freezer子系统可以将进程组挂起和恢复。

CGroup 支持的文件种类

表 1. CGroup 支持的文件种类

文件名	R/W	用途
Release_agent	RW	删除分组时执行的命令，这个文件只存在于根分组
Notify_on_release	RW	设置是否执行 release_agent。为 1 时执行
Tasks	RW	属于分组的线程 TID 列表
Cgroup.procs	R	属于分组的进程 PID 列表。仅包括多线程进程的线程 leader 的 TID，这点与 tasks 不同
Cgroup.event_control	RW	监视状态变化和分组删除事件的配置文件

CGroup 相关概念解释

1. 任务（task）。在 cgroups 中，任务就是系统的一个进程；

2. 控制族群（control group）。控制族群就是一组按照某种标准划分的进程。Cgroups 中的资源控制都是以控制族群为单位实现。一个进程可以加入到某个控制族群，也从一个进程组迁移到另一个控制族群。一个进程组的进程可以使用 cgroups 以控制族群为单位分配的资源，同时受到 cgroups 以控制族群为单位设定的限制；

3. 层级（hierarchy）。控制族群可以组织成 hierarchical 的形式，既一颗控制族群树。控制族群树上的子节点控制族群是父节点控制族群的孩子，继承父控制族群的特定的属性；

4. 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（attach）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。

相互关系

1. 每次在系统中创建新层级时，该系统中的所有任务都是那个层级的默认 cgroup（我们称之为 root cgroup，此 cgroup 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；

2. 一个子系统最多只能附加到一个层级；

3. 一个层级可以附加多个子系统；

4. 一个任务可以是多个 cgroup 的成员，但是这些 cgroup 必须在不同的层级；

5. 系统中的进程（任务）创建子进程（任务）时，该子任务自动成为其父进程所在 cgroup 的成员。然后可根据需要将该子任务移动到不同的 cgroup 中，但开始时它总是继承其父任务的 cgroup。

图 1. CGroup 层级图

图 1 所示的 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。

CGroup 特点

在 cgroups 中，任务就是系统的一个进程。

控制族群（control group）。控制族群就是一组按照某种标准划分的进程。Cgroups 中的资源控制都是以控制族群为单位实现。一个进程可以加入到某个控制族群，也从一个进程组迁移到另一个控制族群。一个进程组的进程可以使用 cgroups 以控制族群为单位分配的资源，同时受到 cgroups 以控制族群为单位设定的限制。

层级（hierarchy）。控制族群可以组织成 hierarchical 的形式，既一颗控制族群树。控制族群树上的子节点控制族群是父节点控制族群的孩子，继承父控制族群的特定的属性。

子系统（subsytem）。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（attach）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。

子系统的介绍

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，并自动生成由那些任务使用的内存资源报告。
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。

CGroup 应用架构

图 2. CGroup 典型应用架构图

如图 2 所示，CGroup 技术可以被用来在操作系统底层限制物理资源，起到 Container 的作用。图中每一个 JVM 进程对应一个 Container Cgroup 层级，通过 CGroup 提供的各类子系统，可以对每一个 JVM 进程对应的线程级别进行物理限制，这些限制包括 CPU、内存等等许多种类的资源。下一部分会具体对应用程序进行 CPU 资源隔离进行演示。

cgroup的安装

其实安装很简单，最佳实践就是yum直接安装（centos下）

配置文件

/etc/cgconfig.conf  

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;              
                         }  

cgroup section的语法格式如下

1. group <name> {  
2.     [<permissions>]  
3.     <controller> {  
4.         <param name> = <param value>;  
5.         …  
6.     }  
7.     …}  

name: 指定cgroup的名称
permissions：可选项，指定cgroup对应的挂载点文件系统的权限，root用户拥有所有权限。
controller：子系统的名称
param name 和 param value：子系统的属性及其属性值

7.1 配置对mysql实例的资源限制

    前提：MySQL数据库已在机器上安装

    7.1.1 修改cgconfig.conf文件

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

group mysql_g1 {
    cpu {
            cpu.cfs_quota_us = 50000;
            cpu.cfs_period_us = 100000;
    }
    cpuset {
            cpuset.cpus = "3";
            cpuset.mems = "0";
    }
    cpuacct{

    }
    memory {
            memory.limit_in_bytes=104857600;
            memory.swappiness=0;
            # memory.max_usage_in_bytes=104857600;
            # memory.oom_control=0;
    }
    blkio  {
           blkio.throttle.read_bps_device="8:0 524288";
           blkio.throttle.write_bps_device="8:0 524288";
    }
}

    7.1.2 配置文件的部分解释。

    cpu：cpu使用时间限额。

    cpu.cfs_period_us和cpu.cfs_quota_us来限制该组中的所有进程在单位时间里可以使用的cpu时间。这里的cfs是完全公平调度器的缩写。cpu.cfs_period_us就是时间周期(微秒)，默认为100000，即百毫秒。cpu.cfs_quota_us就是在这期间内可使用的cpu时间(微秒)，默认-1，即无限制。(cfs_quota_us是cfs_period_us的两倍即可限定在双核上完全使用)。

    cpuset：cpu绑定

    我们限制该组只能在0一共1个超线程上运行。cpuset.mems是用来设置内存节点的。

    本例限制使用超线程0上的第四个cpu线程。

    其实cgconfig也就是帮你把配置文件中的配置整理到/cgroup/cpuset这个目录里面，比如你需要动态设置mysql_group1/ cpuset.cpus的CPU超线程号，可以采用如下的办法。

[root@localhost ~]# echo "0" > mysql_group1/ cpuset.cpus

    cpuacct：cpu资源报告

    memory：内存限制 

    内存限制我们主要限制了MySQL可以使用的内存最大大小memory.limit_in_bytes=256M。而设置swappiness为0是为了让操作系统不会将MySQL的内存匿名页交换出去。

    blkio：BLOCK IO限额

    blkio.throttle.read_bps_device="8:0 524288"; #每秒读数据上限
    blkio.throttle.write_bps_device="8:0 524288"; #每秒写数据上限

    其中8:0对应主设备号和副设备号，可以通过ls -l /dev/sda查看

[root@localhost /]# ls -l /dev/sda
brw-rw----. 1 root disk 8, 0 Sep 15 04:19 /dev/sda

    7.1.3 拓展知识

    现在较新的服务器CPU都是numa结构<非一致内存访问结构（NUMA：Non-Uniform Memory Access）>，使用numactl --hardware可以看到numa各个节点的CPU超线程号，以及对应的节点号。

    本例结果如下：

[root@localhost /]# numactl --hardware
available: 1 nodes (0)
node 0 cpus: 0 1 2 3
node 0 size: 1023 MB
node 0 free: 68 MB
node distances:
node   0
  0:  10

    以下是较高端服务器的numa信息，仅作参考。

[root@localhost ~]# numactl --hardware
available: 4 nodes (0-3)
node 0 cpus: 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
node 0 size: 16338 MB
node 0 free: 391 MB
node 1 cpus: 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61
node 1 size: 16384 MB
node 1 free: 133 MB
node 2 cpus: 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62
node 2 size: 16384 MB
node 2 free: 137 MB
node 3 cpus: 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63
node 3 size: 16384 MB
node 3 free: 186 MB
node distances:
node   0   1   2   3
  0:  10  20  30  20
  1:  20  10  20  30
  2:  30  20  10  20
  3:  20  30  20  10

    7.1.4 修改cgrules.conf文件

[root@localhost ~]# vi /etc/cgrules.conf
# /etc/cgrules.conf
#The format of this file is described in cgrules.conf(5)
#manual page.
#
# Example:
#<user>         <controllers>   <destination>
#@student       cpu,memory      usergroup/student/
#peter          cpu             test1/
#%              memory          test2/
*:/usr/local/mysql/bin/mysqld * mysql_g1

    注：共分为3个部分，分别为需要限制的实例，限制的内容（如cpu，memory），挂载目标。

    7.2 使配置生效

[root@localhost ~]# /etc/init.d/cgconfig restart
Stopping cgconfig service:                                 [  OK  ]
Starting cgconfig service:                                 [  OK  ]
[root@localhost ~]# /etc/init.d/cgred restart
Stopping CGroup Rules Engine Daemon...                     [  OK  ]
Starting CGroup Rules Engine Daemon:                       [  OK  ]

    注：重启顺序为cgconfig -> cgred ，更改配置文件后两个服务需要重启，且顺序不能错。

    7.3 启动MySQL，查看MySQL是否处于cgroup的限制中

[root@localhost ~]# ps -eo pid,cgroup,cmd | grep -i mysqld
29871 blkio:/;net_cls:/;freezer:/;devices:/;memory:/;cpuacct:/;cpu:/;cpuset:/ /bin/sh ./bin/mysqld_safe --defaults-file=/etc/my.cnf --basedir=/usr/local/mysql/ --datadir=/usr/local/mysql/data/
30219 blkio:/;net_cls:/;freezer:/;devices:/;memory:/;cpuacct:/;cpu:/;cpuset:/mysql_g1 /usr/local/mysql/bin/mysqld --defaults-file=/etc/my.cnf --basedir=/usr/local/mysql/ --datadir=/usr/local/mysql/data/ --plugin-dir=/usr/local/mysql//lib/plugin --user=mysql --log-error=/usr/local/mysql/data//localhost.localdomain.err --pid-file=/usr/local/mysql/data//localhost.localdomain.pid --socket=/tmp/mysql.sock --port=3306
30311 blkio:/;net_cls:/;freezer:/;devices:/;memory:/;cpuacct:/;cpu:/;cpuset:/ grep -i mysqld

    7.4 资源限制验证

    使用mysqlslap对mysql进行压力测试，看mysql使用资源是否超过限制。

    7.4.1 在shell窗口1用mysqlslap对mysql进行压力测试。

[root@localhost /]# /usr/local/mysql/bin/mysqlslap --defaults-file=/etc/my.cnf --concurrency=150 --iterations=1 --number-int-cols=8 --auto-generate-sql --auto-generate-sql-load-type=mixed --engine=innodb --number-of-queries=100000 -ujesse -pjesse --number-char-cols=35 --auto-generate-sql-add-autoincrement --debug-info -P3306 -h127.0.0.1

    7.4.2 在shell窗口2查看mysql对cpu，内存的使用

    可见：cpu限制在了第四个核心上，且对第四个核心的使用限制在50%。

    7.4.3 在shell窗口3查看io的消耗

    可见：mysql对io的读及写消耗均限制在2M每秒以内。

8 cgroup实例分析（手工动态验证）

    还原配置文件/etc/cgconfig.conf及/etc/cgrules.conf 为默认配置。测试实例依然为mysql，测试工具为mysqlslap。

    开启cgconfig及cgrules 服务。

[root@localhost /]# /etc/init.d/cgconfig restart
Stopping cgconfig service:                                 [  OK  ]
Starting cgconfig service:                                 [  OK  ]
[root@localhost /]# /etc/init.d/cgred restart
Stopping CGroup Rules Engine Daemon...                     [  OK  ]
Starting CGroup Rules Engine Daemon:                       [  OK  ]

    开启mysqlslap压力测试程序。

[root@localhost /]# /usr/local/mysql/bin/mysqlslap --defaults-file=/etc/my.cnf --concurrency=150 --iterations=1 --number-int-cols=8 --auto-generate-sql --auto-generate-sql-load-type=mixed --engine=innodb --number-of-queries=100000 -ujesse -pjesse --number-char-cols=35 --auto-generate-sql-add-autoincrement --debug-info -P3306 -h127.0.0.1

    通过htop查看资源消耗。

    8.1 cpu限制实例

    限制mysql使用一个核，如第2个核，且对该核的使用不超过50%

[root@localhost /]# mkdir -p /cgroup/cpu/foo/
[root@localhost /]# mkdir -p /cgroup/cpuset/foo/
[root@localhost /]# echo 50000 > /cgroup/cpu/foo/cpu.cfs_quota_us
[root@localhost /]# echo 100000 > /cgroup/cpu/foo/cpu.cfs_period_us
[root@localhost /]# echo "0" > /cgroup/cpuset/foo/cpuset.mems
[root@localhost /]# echo "1" > /cgroup/cpuset/foo/cpuset.cpus
[root@localhost /]# echo 28819 > /cgroup/cpu/foo/tasks

    其中：28819为mysqld的进程号。

    8.2 内存限制实例

    限制mysql使用内存为不超过512M

    跑一个消耗内存脚本

x='a'
while [ True ];do
    x=$x$x
done;

    内存的消耗在不断增加，对其进行限制，使其使用内存在500M以内

[root@localhost /]# mkdir -p /cgroup/memory/foo
[root@localhost /]# echo 524288000 >  /cgroup/memory/foo/memory.limit_in_bytes
[root@localhost /]# echo 44476 > /cgroup/memory/foo/tasks

    内存使用得到了有效控制。

    8.3 IO限制实例

    跑一个消耗IO的测试

[root@localhost ~]# dd if=/dev/sda of=/dev/null

    通过iotop看io占用情况，磁盘读取速度到了50M/s

 
    限制读取速度为10M/S

[root@localhost ~]# mkdir -p /cgroup/blkio/foo
[root@localhost ~]# echo '8:0   10485760' >  /cgroup/blkio/foo/blkio.throttle.read_bps_device
[root@localhost ~]# echo 45033 > /cgroup/blkio/foo/tasks

    注1:45033为dd的进程号

    注2：8:0对应主设备号和副设备号，可以通过ls -l /dev/sda查看

[root@localhost ~]# ls -l /dev/sda
brw-rw----. 1 root disk 8, 0 Sep 15 04:19 /dev/sda

9 cgroup小结

    使用cgroup临时对进程进行调整，直接通过命令即可，如果要持久化对进程进行控制，即重启后依然有效，需要写进配置文件/etc/cgconfig.conf及/etc/cgrules.conf 

   

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    原文地址：http://blog.csdn.net/jesseyoung/article/details/39077829
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