Docker——Cgroup资源配置

一、Dcker资源控制的作用

一般来说，容器默认是没有资源限制的，会最大程度使用宿主机的资源。在Linux主机上，如果内核检测到没有足够的内存来执行重要的系统功能，它会抛出一个OOME（Out Of Memory Exception），一旦发生OOME，Linux就会开始查杀进程以释放内存。任何进程都有可能会被杀死，包括docker daemon和其他重要的应用程序。如果错误的进程被杀死，这可会降低整个系统的使用效果
针对此情况，Docker提供了一种资源控制的方式，可以对容器的CPU、内存和IO进行限制。

二、Cgroup 资源配置方法

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。
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 IO 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

2.1 使用 stress 工具测试 CPU 和内存

①使用 Dockerfile 来创建一个基于 Centos 的 stress 工具镜像

mkdir stress
cd stress/
vim Dockerfile

FROM centos:7
MAINTAINER wt
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

docker build -t centos:stress .

②使用如下命令创建容器，命令中的-cpu-shares参数值不能保证可以获得1个cpu或者多少GHz的CPU资源，它仅是一个弹性的加权值

docker run -itd --cpu-shares 100 centos: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
docker run -tid --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10 #再开启一个容器做比较
docker exec -it 容器ID bash    #进入容器使用top查看cpu使用情况,对比两个容器的%CPU，比例是1:2

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。

2.2 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。
• –cpu-quota是–cpu-period的倍数时，使用多个CPU

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。

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cpu-period 和 cpu-quota 的单位为微秒（μs）。cpu-period 的最小值为 1000 微秒， 最大值为 1 秒（10^6 μs），默认值为 0.1 秒（100000 μs）。

cpu-quota 的值默认为 -1， 表示不做控制。cpu-period 和 cpu-quota 参数一般联合使用。

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）。

docker run -itd --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress
docker ps
docker exec -it 容器ID bash  

cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us
100000
cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us
200000

2.3 CPU Core 控制

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。

docker run -tid --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress      #限制容器cpu1只能使用0和1两个内核

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：

docker exec -it 容器ID bash

cat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
0-1          0-1表示该容器能使用的内核为0、1两个

以下命令可以查看容器进程与CPU内核的绑定关系

docker exec 容器id taskset -c -p 1

2.4 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
docker run -tid --name cpu3 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1
docker run -tid --name cpu4 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1

top   #按1查看每个核心的占用

docker exec -it 容器ID 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，
将会给系统一个随机负载，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。

2.5 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（物理）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

docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 280M

--vm 1：启动一个内存工作线程
--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会自动为容器再目录/sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器完整id>中创建相应cgroup配置文件

如果让线程分配的内存大于等于设定的300M，stress线程报错，容器退出。

docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 300M

2.6 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 10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。

docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
600

docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress
cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
300

2.7 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。

作为对比测试，如果不限速，结果如下:

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。