• 虚拟化–操作系统级 LXC Linux Containers内核轻量级虚拟化技术

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    软件平台：Ubuntu 14.04

    容器有效地将由单个操作系统管理的资源划分到孤立的组中，以更好的在孤立的组之间有冲突的资源使用需求。与其它的虚拟化比較，这样既不须要指令级模拟。也不须要即时编译。

    容器能够在寒心CPU本地运行指令，而不须要不论什么专门的解释机制。此外半虚拟化和系统调用替换的复杂性。

    LXC的实现是基于内核中的namespace和cgroup实现的。

    namespace：

    和C++中的namespace概念类似。在Linux操作系统中，系统资源如：进程、用户账户、文件系统、网络都是属于某个namespace。

    每个namespace下的资源对于其它的namespace资源是透明的，不可见的。由于在操作系统层上就会出现同样的pid的进程。多个同样uid的不同账号。

    内核中的实现：

    namespace是针对每个进程而言的，所以在task_struct结构的定义中有一个指向nsproxy的指针

    1/* namespaces */
    2struct nsproxy *nsproxy;

    该结构体的定义例如以下：

    01/*
    02 * A structure to contain pointers to all per-process
    03 * namespaces - fs (mount), uts, network, sysvipc, etc.
    04 *
    05 * The pid namespace is an exception -- it's accessed using
    06 * task_active_pid_ns.  The pid namespace here is the
    07 * namespace that children will use.
    08 *
    09 * 'count' is the number of tasks holding a reference.
    10 * The count for each namespace, then, will be the number
    11 * of nsproxies pointing to it, not the number of tasks.
    12 *
    13 * The nsproxy is shared by tasks which share all namespaces.
    14 * As soon as a single namespace is cloned or unshared, the
    15 * nsproxy is copied.
    16 */
    17struct nsproxy {
    18    atomic_t count;
    19    struct uts_namespace *uts_ns;
    20    struct ipc_namespace *ipc_ns;
    21    struct mnt_namespace *mnt_ns;
    22    struct pid_namespace *pid_ns_for_children;
    23    struct net       *net_ns;
    24};

    当中第一个属性count表示的是该命名空间被进程引用的次数。后面的几个各自是不同类型的命名空间。以pid_namespace为例。

    其结构例如以下所看到的：

    01struct pid_namespace {
    02    struct kref kref;//引用计数
    03    struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];//用于标记空暇的id号
    04    struct rcu_head rcu;
    05    int last_pid;//上一次分配的id号
    06    unsigned int nr_hashed;
    07    struct task_struct *child_reaper;//相当于全局的init进程，用于对僵尸进程进行回收
    08    struct kmem_cache *pid_cachep;
    09    unsigned int level;//namespace的层级
    10    struct pid_namespace *parent;//上一级namespace指针
    11#ifdef CONFIG_PROC_FS
    12    struct vfsmount *proc_mnt;
    13    struct dentry *proc_self;
    14#endif
    15#ifdef CONFIG_BSD_PROCESS_ACCT
    16    struct bsd_acct_struct *bacct;
    17#endif
    18    struct user_namespace *user_ns;
    19    struct work_struct proc_work;
    20    kgid_t pid_gid;
    21    int hide_pid;
    22    int reboot; /* group exit code if this pidns was rebooted */
    23    unsigned int proc_inum;
    24};

    内核中的pid结构表示：

    1struct pid
    2{
    3    atomic_t count;
    4    unsigned int level;//pid相应的级数
    5    /* lists of tasks that use this pid */
    6    struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];//一个pid可能相应多个task_struct
    7    struct rcu_head rcu;
    8    struct upid numbers[1];//该结构是namespace中的详细的pid。从1到level各级别的namesapce，这里相当于一个指针。仅仅只是不须要再分配空间
    9};

    上面的结构体就是内核中进程的标示符，能够用于标识内核中的tasks、process groups和sessions。这个结构体和详细的task通过hash来关联。通过详细的task相应的pid的值能够获得绑定的pid结构体。

    属于详细的namespace的pid结构upid：

    1struct upid {
    2    /* Try to keep pid_chain in the same cacheline as nr for find_vpid */
    3    int nr;
    4    struct pid_namespace *ns;
    5    struct hlist_node pid_chain;
    6};

    该结构体是用来获得结构体pid的详细的id，它仅仅对特定的namespace可见。会通过函数find_pid_ns(int nr,pid_namespace *ns)函数来获得详细的PID结构。

    总体结构例如以下图：

    2014-05-11_20-42-39

     

    Cgroup：

    Cgroup是control groups的缩写，是Linux内核提供的一种能够限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源（CPU，内存，IO等等）的机制。Cgroup也是LXC位实现虚拟化所使用的资源管理的手段。

    能够说没有Cgroup就没有LXC，也就没有Docker。

    Cgroup提供的功能：

    • 限制进程组能够使用的资源数量。

      一单进程组使用的内存达到限额就会引发异常

    • 控制进程组的优先级。

      能够使用cpu子系统为某个进程组分配特定的cpu share

    • 记录进程组使用资源的数量
    • 进程组隔离。eg.使用ns子系统能够使不同的进程组使用不同的namespace，已达到
    • 进程组控制

     Cgroup子系统：

    • blkio：设定输入输出限制
    • cpu：使用调度程序对CPU的Cgroup任务訪问
    • cpuacct：自己主动生成Cgroup任务所使用的CPU报告
    • cpuset：为Cgroup中的任务分配独立的CPU（多核系统中）和内存节点
    • devices：同意或拒绝Cgroup中的任务訪问设备
    • freezer：挂起或回复Cgroup中的任务
    • memory：Cgroup中任务使用内存的限制
    • net_cls：同意Linux流量控制程序识别从cgroup中生成的数据包
    • ns：命名空间子系统

    Cgroup中的概念：

    • 任务（Task）：任务就是系统中的一个进程
    • 控制族群（control group）：一组按某种标准划分的进程，控制族群通常依照顾用划分，即与某应用相关的一组进程，被划分位一个进程组（控制族群）。Cgroup中资源控制都是以控制族群为单位实现。

      一个进程能够增加某个控制族群。也能够从一个进程组迁移到还有一个控制族群。

    • 层级：控制族群能够组织成层级的形式–控制族群树。
    • 子系统：资源控制器，比方CPU子系统就是控制CPU时间分配的一个控制器。子系统必须attach到一个层级上才干起作用。一个子系统附件到某个层级以后，这个层级上的所有控制族群都收到这个子系统的控制。

    Cgroup使用控制CPU：

    在Ubuntu中。cgroup默认挂载位置/sys/fs/cgroup目录。

    ls查看一下：

    1yan@yan-Z400:/sys/fs/cgroup$ ls
    2blkio      cpu      cpuset   freezer  memory      systemd
    3cgmanager  cpuacct  devices  hugetlb  perf_event

    能够看到cgroup的不同子系统目录。

    在CPU目录中新建一个geekcome目录，默认ubuntu已经将子系统所有挂载了：

    进入cpu目录新建一个geekcome目录，然后查看：

    1yan@yan-Z400:/sys/fs/cgroup/cpu$ ls
    2cgroup.clone_children  cgroup.sane_behavior  cpu.shares  lxc                tasks
    3cgroup.event_control   cpu.cfs_period_us     cpu.stat    notify_on_release
    4cgroup.procs           cpu.cfs_quota_us      geekcome    release_agent

    新建目录后在目录里会自己主动生成相应的文件：

    01geekcome
    02├── cgroup.clone_children
    03├── cgroup.event_control
    04├── cgroup.procs
    05├── cpu.cfs_period_us
    06├── cpu.cfs_quota_us
    07├── cpu.shares
    08├── cpu.stat
    09├── notify_on_release
    10└── tasks

    以下就跑一个死循环程序。导致CPU使用率到达100%。

    1PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND       
    25046 yan       20   0   25928   4848   2324 R 100.0  0.1   0:22.47 python

    如今运行例如以下的命令：

    1echo "50000" >/sys/fs/cgroup/cpu/geekcome/cpu.cfs_quota_us
    2echo "5046" >/sys/fs/group/cpu/geekcome/tasks

    再top查看一下：

    1PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND       
    25046 yan       20   0   25928   4844   2324 R  49.8  0.1   0:49.27 python

    进程5046的cpu使用率从100%减少到50%。在Cgroup里。能够使用cpu.cfs_period_us和cpu.cfs.quota_ua来限制在单位时间里能够使用的cpu时间。这里cfs的含义是Completely Fair Scheduler（全然公平调度器）。cpu.cfs_period_us是时间周期，默认是100000（百毫秒）。cpu.cfs_quota_us是在这期间能够使用的cpu时间。默认-1（无限制）。

    在上面的实例中。通过改动cpu.cfs_period_us文件，将百毫秒改动为一半，成功将CPU使用率减少到50%。cfs.quota_us文件主要对于多核的机器，当有n个核心时。一个控制组的进程最多能用到n倍的cpu时间。

    Cgroup除了资源控制功能外，还有资源统计功能。云计算的按需计费能够通过它来实现。这里仅仅实例CPU的控制，其它的子系统控制请自行实验。

    LXC使用：

    创建一个容器：

    1lxc-create -n name [-f config_file] [-t template]
    2sudo lxc-create -n ubuntu01 -t ubuntu

    -n就是虚拟机的名字，-t是创建的模板。保存路径在/usr/lib/lxc/templates。模板就是一个脚本文件，运行一系列安装命令和配置（穿件容器的挂载文件系统。配置网络，安装必要软件。创建用户并设置password等）。

    显示已经创建的容器：

    1lxc-ls

     启动一个容器：

    1lxc-start -n name [-f config_file] [-s KEY=VAL] [command]

    启动一个容器。能够指定要运行的命令，假设没有指定，lxc-start会默认运行/sbin/init命令，启动这个容器。

    关闭一个容器：

    1lxc-stop -n name

    高速启动一个任务，任务运行完成后删除容器：

    1lxc-execute -n name [-f config_file] [-s KEY=VAL ] [--] command

    它会依照配置文件运行lxc-create创建容器。假设没有指定的配置文件，则选择默认。该命令一般用于高速使用容器环境运行摸个任务。任务运行完成后删除掉容器。

    (完)

    作者：Yong Man
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    假设对文章有不论什么问题。都能够在评论中留言，我会尽可能的答复您。谢谢你的阅读
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