Docker_Cgroup

一.Cgroup

1.概述

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

2.Cgroup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。

3.Cgroup 资源配置方法

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。

二.使用stress工具测试CPU 和内存

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

mkdir /opt/stress
vim /opt/stress/Dockerfile

FROM centos:7
MAINTAINER li
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

cd /opt/stress/
docker build -t centos:stress .

1.设置CPU权重

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vcpu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

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。

//先创建两个容器
//容器产生10个子函数进程，设置cpu优先级为512
docker run -tid --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10
//容器产生10个子函数进程，设置cpu优先级为1024
docker run -tid --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10

docker ps -a

//进入容器使用top查看cpu使用情况
docker exec -it c6067932d3a6 bash
top
exit
//进容器使用top对比两个容器的%CPU，比例是1:2
docker exec -it f6a39487959d bash
top
exit

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
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(10^6 us)，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参数一般联合使用。 

docker run -tid --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress
docker exec -it 602299e4f013 bash
cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us
100000
cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us
200000

3.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

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;

docker exec -it 30f4654f5ccb bash

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

//容器内部第一个进程号pid为1被绑定到指定CPU上运行
docker exec 30bc930bfa59 taskset -c -p 1

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。

//测试前需要将宿主系统修改为4核心CPU
//创建两个容器,分别指定不同的cpu
docker run -tid --name cpu2 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1
docker run -tid --name cpu3 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1

top //记住按1查看每个核心的占用

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 -c1 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。

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。

docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 310M

三.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。

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

四.bps和iops的限制

bps是byte per second，每秒读写的数据量(吞吐量)。
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5MB/s.

docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress

dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct    //可以按ctrl+c中断查看
#-------------------------输出内容---------------------------------
^C18+0 records in
18+0 records out
18874368 bytes (19 MB) copied, 3.60306 s, 5.2 MB/s

• 上图说明：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 lO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。

docker run -it centos:stress
dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct
#-----------------------输出内容-------------------------------
^C980+0 records in
980+0 records out
1027604480 bytes (1.0 GB) copied, 0.93197 s, 1.1 GB/s