使用Cgroup在Docker中进行资源管理

一、Cgroup 资源配置方法

1、Docker通过Cgroup来控制容器使用的资源配额，包括CPU、内存、磁盘三大方面， 基本覆盖了常见的资源配额和使用量控制。

2、Cgroup是Control Groups的缩写，是Linux内核提供的一种可以限制、 记录、隔离进程组所使用的物理资源(如CPU、内存、磁盘I0等等)的机制，被LXC、 docker等很多项目用于实现进程资源控制。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是通过该功能来实现的
这些具体的资源管理功能称为Cgroup子系统，有以下几大子系统实现:

• blkio: 设置限制每个块设备的输入输出控制。例如:磁盘,光盘以及 usb 等等。
• CPU: 使用调度程序为cgroup任务提供CPU的访问。
• cpuacct: 产生cgroup任务的CPU资源报告。
• cpuset: 如果是多核心的CPU,这个子系统会为cgroup任务分配单独的CPU和内存。
• devices: 允许或拒绝cgroup任务对设备的访问。
• freezer: 暂停和恢复cgroup任务。
• memory: 设置每个cgroup的内存限制以及产生内存资源报告。
• net_cls: 标记每个网络包以供cgroup方便使用。
• ns: 命名空间子系统。
• perf_event: 增加了对每个group的监测跟踪的能力，可以监测属于某个特定的group的所有线程以及运行在特定CPU上的线程。

下面开始利用stress压力测试工具来测试CPU和内存使用状况。

二、使用stress工具测试CPU和内存

首先使用Dockerfile来创建一个基于Centos的 stress 工具镜像

[root@localhost ~]# mkdir /opt/stress
[root@localhost ~]# vim /opt/stress/Dockerfile
FROM centos:7
MAINTAINER panrj
RUN yum install -y wget
RUN wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo
RUN yum install -y stress
[root@localhost ~]# cd /opt/stress/
[root@localhost stress]# docker build -t centos:stress .
[root@localhost stress]# docker run -itd --cpu-shares 100 centos:stress

说明:默认情况下，每个Docker容器的CPU份额都是1024。单独一个容器的份额是没有意义的。只有在同时运行多个容器时，容器的CPU加权的效果才能体现出来。
例如，两个容器 A、B 的CPU份额分别为1000和500, 在CPU进行时间片分配的时候，容器 A 比容器 B 多一倍的机会获得CPU的时间片。
但分配的结果取决于当时主机和其他容器的运行状态， 实际上也无法保证容器A一定能获得CPU时间片。比如容器A的进程一直是空闲的，
那么容器 B 是可以获取比容器 A 更多的CPU时间片的。极端情况下，例如主机上只运行了一个容器，即使它的 CPU 份额只有50, 它也可以独占整个主机的CPU资源。

Cgroups只在容器分配的资源紧缺时，即在需要对容器使用的资源进行限制时，才会生效。因此，无法单纯根据某个容器的CPU份额来确定有多少CPU资源分配给它,
资源分配 结果取决于同时运行的其他容器的CPU分配和容器中进程运行情况。
可以通过cpu share可以设置容器使用CPU的优先级，比如启动了两个容器及运行查看CPU使用百分比。

[root@localhost stress]# docker run -tid --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10 //容器产生10个子函数进程
[root@localhost stress]# docker exec -it f4953c0d7e76 bash //进入容器使用top查看cpu使用情况

这个时候再开启-个容器做比较

[root@localhost stress]# docker run -tid --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10

[root@localhost stress]# docker exec -it 5590c57d27b0 bash //进容器使用top对比两个容器的%CPU,比例是1:2

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对比查看结果

三、CPU周期限制

Docker提供了–cpu-period、 --cpu-quota两个参数控制容器可以分配到的CPU时钟周期。

--cpu-period是用来指定容器对CPU的使用要在多长时间内做一次重新分配。

--cpu-quota是用来指定在这个周期内，最多可以有多少时间用来跑这个容器。

与–cpu-shares不同的是,这种配置是指定一个绝对值,容器对CPU资源的使用绝对不会超过配置的值。
cpu-period和cpu-quota的单位为微秒(us) 。cpu-period的最小值为1000微秒，最大值为1秒(10^6μs) ，默认值为0.1秒(100000 us)。

cpu-quota的值默认为-1， 表示不做控制。cpu-period和cpu-quota参数-般联合使用。

例如:容器进程需要每1秒使用单个CPU的0.2秒时间，可以将cpu-period设置为1000000 (即1秒)，cpu-quota设置为200000 (0.2秒)。

当然，在多核情况下，如果允许容器进程完全占用两个CPU,则可以将cpu-period设置为100000 (即0.1秒)，cpu-quota设置为200000 (0.2秒) .

[root@localhost stress]# docker run -tid --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress
[root@localhost stress]# docker exec -it 3a61d26ac823 bash
[root@98d2aaa50019 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us
100000
[root@98d2aaa50019 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us
200000

四、CPU Core控制

对多核CPU的服务器，Docker还可以控制容器运行使用哪些CPU内核,即使用–cpuset-cpus参数。
这对具有多CPU的服务器尤其有用，可以对需要高性能计算的容器进行性能最优的配置。

[root@localhost stress]# docker run -tid --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress
执行以上命令需要宿主机为双核，表示创建的容器只能用0、1两个内核。最终生成的cgroup的 CPU 内核配置如下:
[root@localhost stress]# docker exec -it 631eea630b21 bash

[root@631eea630b21 /# cat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
0-1

通过下面指令可以看到容器中进程与CPU内核的绑定关系，达到绑定CPU内核的目的。
[root@localhost stress]# docker exec 631eea630b21 taskset -c -p 1 //容器内部第- 个进程号pid为1被绑定到指定CPU上运行
pid 1's current affinity list:0,1

五、CPU配额控制参数的混合使用

通过cpuset-cpus 参数指定容器 A 使用CPU内核0,容器 B 只是用CPU内核 1.
在主机上只有这两个容器使用对应CPU内核的情况，它们各自占用全部的内核资源，cpu-shares没有明显效果。
cpuset-cpus、 cpuset-mems参数只在多核、多内存节点上的服务器.上有效，并且必须与实际的物理配置匹配，否则也无法达到资源控制的目的。

在系统具有多个CPU内核的情况下，需要通过cpuset-cpus参数为设置容器CPU内核才能方便地进行测试。

//宿主系统修改为4核心CPU
[root@localhost stress]# docker run -tid --name cpu3 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1
[root@localhost stress]# docker exec -it 84598dfadd34 bash
[root@localhost stress]# exit


[root@localhost stress]# docker run -tid --name cpu4 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1
[root@localhost stress]# top //记住按1查看每个核心的占用

Tasks: 172 total, 2 running, 170 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu0 : 0.0us, 0.0sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0us, 0.0sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0si, 0.0 st
%Cpu2 : 0.0us, 0.0sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0si, 0.0 st
%Cpu3 :100.0us, 0.0sy, 0.0 ni, 0.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0si, 0.0 st
KiB Mem : 7994072 total, 6394056 free, 450124 used, 1149892 buff/cache
KiB Swap: 4194300 total, 4194300 free,  0 used.7174064 avail Mem

[root@localhost stress]# docker exec -it 0eed2c8a20df bash

总结:上面的centos:stress镜像安装了stress工具，用来测试CPU和内存的负载。通过在两个容器上分别执行stress-c 1命令,
将会给系统- 个随机负载，产生1个进程。这个进程都反复不停的计算由rand()产生随机数的平方根，直到资源耗尽。
观察到宿主机上的CPU使用率，第三个内核的使用率接近100%， 并且一批进程的CPU使用率明显存在2:1的使用比例的对比。

六、内存限额

与操作系统类似,容器可使用的内存包括两部分: 物理内存和Swap。

Docker通过下面两组参数来控制容器内存的使用量。

-m或--memory: 设置内存的使用限额，例如100M、1024M。
--memory-swap: 设置内存+swap的使用限额。

执行如下命令允许该容器最多使用200M的内存和300M的swap。

[root@localhost stress]# docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 280M
--vm 1: 启动1个内存工作线程。
--vm-bytes 280M: 每个线程分配280M内存。

默认情况下，容器可以使用主机上的所有空闲内存。
与CPU的cgroups配置类似，Docker会自动为容器在目录/sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器的完整长ID>中创建相应cgroup配置文件

如果让工作线程分配的内存超过300M,分配的内存超过限额，stress线程报错，容器退出。

[root@localhost stress]# docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 310M

七、Block IO 的限制

默认情况下，所有容器能平等地读写磁盘，可以通过设置–blkio-weight参数来改变容器block IO的优先级。
–blkio-weight与–cpu-shares类似，设置的是相对权重值，默认为500。

在下面的例子中，容器A读写磁盘的带宽是容器B的两倍

[root@localhost ~]#docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
[root@0d16f3608f62 /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
600

[root@localhost ~]#docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress
[root@ae6c2a3370b6 /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
300

八、bps和iops的限制

bps 是byte per second, 每秒读写的数据量。
iops 是io per second, 每秒 IO 的次数。

可以通过以下参数控制容器的bps和iops:

–device-read-bps，限制读某个设备的 bps。
–device-write-bps，限制写某个设备的 bps。
–device-read-iops，限制读某个设备的 iops。
–device-write-iops，限制写某个设备的 iops。

下面的示例是限制容器写/dev/sda的速率为5 MB/s。

[root@localhost docker]# docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress

[root@c4a16f026e5a /]# dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct   //可以按ctrl+c中断查看
906+0 records in
906+0 records out
950009856 bytes (950 MB) copied, 181.202 s, 5.2 MB/s

通过 dd 命令测试在容器中写磁盘的速度。因为容器的文件系统是在 host /dev/sda 上 的，
在容器中写文件相当于对 host /dev/sda 进行写操作。另外，oflag=direct 指定用 direct IO 方式写文件，
这样 --device-write-bps 才能生效。

结果表明限速 5MB/s 左右。作为对比测试，如果不限速，结果如下。

[root@localhost docker]# docker run -it centos:stress

[root@012ab0128349 /]# dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct
1024+0 records in
1024+0 records out
1073741824 bytes (1.1 GB) copied, 0.928611 s, 1.2 GB/s