深入理解 Linux Cgroup 系列（一）：基本概念

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Cgroup 是 Linux kernel 的一项功能：它是在一个系统中运行的层级制进程组，你可对其进行资源分配（如 CPU 时间、系统内存、网络带宽或者这些资源的组合）。通过使用 cgroup，系统管理员在分配、排序、拒绝、管理和监控系统资源等方面，可以进行精细化控制。硬件资源可以在应用程序和用户间智能分配，从而增加整体效率。

cgroup 和 namespace 类似，也是将进程进行分组，但它的目的和 namespace 不一样，namespace 是为了隔离进程组之间的资源，而 cgroup 是为了对一组进程进行统一的资源监控和限制。

cgroup 分 v1 和 v2 两个版本，v1 实现较早，功能比较多，但是由于它里面的功能都是零零散散的实现的，所以规划的不是很好，导致了一些使用和维护上的不便，v2 的出现就是为了解决 v1 中这方面的问题，在最新的 4.5 内核中，cgroup v2 声称已经可以用于生产环境了，但它所支持的功能还很有限，随着 v2 一起引入内核的还有 cgroup namespace。v1 和 v2 可以混合使用，但是这样会更复杂，所以一般没人会这样用。

1. 为什么需要 cgroup

在 Linux 里，一直以来就有对进程进行分组的概念和需求，比如 session group， progress group 等，后来随着人们对这方面的需求越来越多，比如需要追踪一组进程的内存和 IO 使用情况等，于是出现了 cgroup，用来统一将进程进行分组，并在分组的基础上对进程进行监控和资源控制管理等。

2. 什么是 cgroup

术语 cgroup 在不同的上下文中代表不同的意思，可以指整个 Linux 的 cgroup 技术，也可以指一个具体进程组。

cgroup 是 Linux 下的一种将进程按组进行管理的机制，在用户层看来，cgroup 技术就是把系统中的所有进程组织成一颗一颗独立的树，每棵树都包含系统的所有进程，树的每个节点是一个进程组，而每颗树又和一个或者多个 subsystem 关联，树的作用是将进程分组，而 subsystem 的作用就是对这些组进行操作。cgroup 主要包括下面两部分：

• <span id=inline-purple>subsystem : 一个 subsystem 就是一个内核模块，他被关联到一颗 cgroup 树之后，就会在树的每个节点（进程组）上做具体的操作。subsystem 经常被称作 resource controller，因为它主要被用来调度或者限制每个进程组的资源，但是这个说法不完全准确，因为有时我们将进程分组只是为了做一些监控，观察一下他们的状态，比如 perf_event subsystem。到目前为止，Linux 支持 12 种 subsystem，比如限制 CPU 的使用时间，限制使用的内存，统计 CPU 的使用情况，冻结和恢复一组进程等，后续会对它们一一进行介绍。
• <span id=inline-purple>hierarchy : 一个 hierarchy 可以理解为一棵 cgroup 树，树的每个节点就是一个进程组，每棵树都会与零到多个 subsystem 关联。在一颗树里面，会包含 Linux 系统中的所有进程，但每个进程只能属于一个节点（进程组）。系统中可以有很多颗 cgroup 树，每棵树都和不同的 subsystem 关联，一个进程可以属于多颗树，即一个进程可以属于多个进程组，只是这些进程组和不同的 subsystem 关联。目前 Linux 支持 12 种 subsystem，如果不考虑不与任何 subsystem 关联的情况（systemd 就属于这种情况），Linux 里面最多可以建 12 颗 cgroup 树，每棵树关联一个 subsystem，当然也可以只建一棵树，然后让这棵树关联所有的 subsystem。当一颗 cgroup 树不和任何 subsystem 关联的时候，意味着这棵树只是将进程进行分组，至于要在分组的基础上做些什么，将由应用程序自己决定，systemd 就是一个这样的例子。

3. 将资源看作一块饼

在 CentOS 7 系统中（包括 Red Hat Enterprise Linux 7），通过将 cgroup 层级系统与 systemd 单位树捆绑，可以把资源管理设置从进程级别移至应用程序级别。默认情况下，systemd 会自动创建 slice、scope 和 service 单位的层级（具体的意思稍后再解释），来为 cgroup 树提供统一结构。可以通过 systemctl 命令创建自定义 slice 进一步修改此结构。

如果我们将系统的资源看成一块馅饼，那么所有资源默认会被划分为 3 个 cgroup：System, User 和 Machine。每一个 cgroup 都是一个 slice，每个 slice 都可以有自己的子 slice，如下图所示：

下面我们以 CPU 资源为例，来解释一下上图中出现的一些关键词。

如上图所示，系统默认创建了 3 个顶级 slice（System, User 和 Machine），每个 slice 都会获得相同的 CPU 使用时间（仅在 CPU 繁忙时生效），如果 user.slice 想获得 100% 的 CPU 使用时间，而此时 CPU 比较空闲，那么 user.slice 就能够如愿以偿。这三种顶级 slice 的含义如下：

• system.slice —— 所有系统 service 的默认位置
• user.slice —— 所有用户会话的默认位置。每个用户会话都会在该 slice 下面创建一个子 slice，如果同一个用户多次登录该系统，仍然会使用相同的子 slice。
• machine.slice —— 所有虚拟机和 Linux 容器的默认位置

控制 CPU 资源使用的其中一种方法是 shares。shares 用来设置 CPU 的相对值（你可以理解为权重），并且是针对所有的 CPU（内核），默认值是 1024。因此在上图中，httpd, sshd, crond 和 gdm 的 CPU shares 均为 1024，System, User 和 Machine 的 CPU shares 也是 1024。

假设该系统上运行了 4 个 service，登录了两个用户，还运行了一个虚拟机。同时假设每个进程都要求使用尽可能多的 CPU 资源（每个进程都很繁忙）。

• system.slice 会获得 33.333% 的 CPU 使用时间，其中每个 service 都会从 system.slice 分配的资源中获得 1/4 的 CPU 使用时间，即 8.25% 的 CPU 使用时间。
• user.slice 会获得 33.333% 的 CPU 使用时间，其中每个登录的用户都会获得 16.5% 的 CPU 使用时间。假设有两个用户：tom 和 jack，如果 tom 注销登录或者杀死该用户会话下的所有进程，jack 就能够使用 33.333% 的 CPU 使用时间。
• machine.slice 会获得 33.333% 的 CPU 使用时间，如果虚拟机被关闭或处于 idle 状态，那么 system.slice 和 user.slice 就会从这 33.333% 的 CPU 资源里分别获得 50% 的 CPU 资源，然后均分给它们的子 slice。

如果想严格控制 CPU 资源，设置 CPU 资源的使用上限，即不管 CPU 是否繁忙，对 CPU 资源的使用都不能超过这个上限。可以通过以下两个参数来设置：

cpu.cfs_period_us = 统计CPU使用时间的周期，单位是微秒（us） 
cpu.cfs_quota_us = 周期内允许占用的CPU时间(指单核的时间，多核则需要在设置时累加) 

systemctl 可以通过 CPUQuota 参数来设置 CPU 资源的使用上限。例如，如果你想将用户 tom 的 CPU 资源使用上限设置为 20%，可以执行以下命令：

$ systemctl set-property user-1000.slice CPUQuota=20%

在使用命令 systemctl set-property 时，可以使用 tab 补全：

$ systemctl set-property user-1000.slice
AccuracySec=            CPUAccounting=          Environment=            LimitCPU=               LimitNICE=              LimitSIGPENDING=        SendSIGKILL=
BlockIOAccounting=      CPUQuota=               Group=                  LimitDATA=              LimitNOFILE=            LimitSTACK=             User=
BlockIODeviceWeight=    CPUShares=              KillMode=               LimitFSIZE=             LimitNPROC=             MemoryAccounting=       WakeSystem=
BlockIOReadBandwidth=   DefaultDependencies=    KillSignal=             LimitLOCKS=             LimitRSS=               MemoryLimit=
BlockIOWeight=          DeviceAllow=            LimitAS=                LimitMEMLOCK=           LimitRTPRIO=            Nice=
BlockIOWriteBandwidth=  DevicePolicy=           LimitCORE=              LimitMSGQUEUE=          LimitRTTIME=            SendSIGHUP=

这里有很多属性可以设置，但并不是所有的属性都是用来设置 cgroup 的，我们只需要关注 Block, CPU 和 Memory。

如果你想通过配置文件来设置 cgroup，service 可以直接在 /etc/systemd/system/xxx.service.d 目录下面创建相应的配置文件，slice 可以直接在 /run/systemd/system/xxx.slice.d 目录下面创建相应的配置文件。事实上通过 systemctl 命令行工具设置 cgroup 也会写到该目录下的配置文件中：

$ cat /run/systemd/system/user-1000.slice.d/50-CPUQuota.conf
[Slice]
CPUQuota=20%

查看对应的 cgroup 参数：

$ cat /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/user.slice/user-1000.slice/cpu.cfs_period_us
100000

$ cat /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/user.slice/user-1000.slice/cpu.cfs_quota_us
20000

这表示用户 tom 在一个使用周期内（100 毫秒）可以使用 20 毫秒的 CPU 时间。不管 CPU 是否空闲，该用户使用的 CPU 资源都不会超过这个限制。

CPUQuota 的值可以超过 100%，例如：如果系统的 CPU 是多核，且 CPUQuota 的值为 200%，那么该 slice 就能够使用 2 核的 CPU 时间。

4. 总结

本文主要介绍了 cgroup 的一些基本概念，包括其在 CentOS 系统中的默认设置和控制工具，以 CPU 为例阐述 cgroup 如何对资源进行控制。下一篇文章将会通过具体的示例来观察不同的 cgroup 设置对性能的影响。

5. 参考资料

• Linux Cgroup系列（01）：Cgroup概述

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