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 */

2	struct 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

*/

17	struct 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：

01	struct 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：

1	struct 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：

1	struct 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：

 

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：

1	yan@yan-Z400:/sys/fs/cgroup$ ls

2	blkio      cpu      cpuset   freezer  memory      systemd

3	cgmanager  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：

1	yan@yan-Z400:/sys/fs/cgroup/cpu$ ls

2	cgroup.clone_children  cgroup.sane_behavior  cpu.shares  lxc                tasks

3	cgroup.event_control   cpu.cfs_period_us     cpu.stat    notify_on_release

4	cgroup.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：

01

geekcome

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%。

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

2	5046 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：

1	echo "50000" >/sys/fs/cgroup/cpu/geekcome/cpu.cfs_quota_us

2	echo "5046" >/sys/fs/group/cpu/geekcome/tasks

再top查看一下：

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

2	5046 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：

1	lxc-create -n name [-f config_file] [-t template]

2	sudo 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：

1

lxc-ls

 启动一个容器：

1	lxc-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：

1	lxc-stop -n name

高速启动一个任务，任务运行完成后删除容器：

1	lxc-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

出处：极客来 GeekCome

原文：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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