聊聊docker容器的memory限制

序

本文主要研究一下docker容器的memory限制

内存限制

docker run -m 512M -p 8081:8080 --rm docker-demo

通过-m参数指定限制的内存大小

buffer/cache

所谓Cache，就是为了弥补高速设备和低速设备之间的矛盾而设立的一个中间层。
缓冲（Buffer）是根据磁盘的读写设计的，它把分散的写操作集中进行，减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道，从而提高系统性能。

区别与联系

• 都是为了解决速度不对等的问题。
• 缓存（Cache）是把读取过的数据保存起来，重新读取时若命中（找到需要的数据）就不要去读硬盘了，若没有命中再读硬盘。其中的数据会根据读取频率进行组织，把最频繁读取的内容放在最容易找到的位置，把不再读的内容不断往后排，直至从中删除。
• Buffer是即将要被写入磁盘的，而Cache是被从磁盘中读出来的。
• 在应用场景上，Buffer是由各种进程分配的，被用在如输入队列等方面。一个简单的例子，如某个进程要求有多个字段读入，在所有字段被读入完整之前，进程把先前读入的字段放在Buffer中保存；Cache经常被用在磁盘的I/O请求上，如果有多个进程都要访问某个文件，于是该文件便被做成 Cache以方便下次被访问，这样可提高系统性能。比如linux系统中有一个守护进程定期清空缓冲内容（即写入磁盘），也可以通过 sync 命令手动清空缓冲。

操作系统中的Page Cache与Buffer Cache

磁盘数据会被读取到Page Cache进行缓存，程序要读取数据的时候，可以直接从Page Cache读取，这是读取数据的一条线路。 此外，当Page Cache的数据需要刷新时，Page Cache中的数据会交给Buffer Cache，而Buffer Cache中的所有数据都会定时刷新到磁盘。这是写入数据的另一条线。
page-cache.png

• Page Cache：Page Cache是文件系统层级的缓存，它从磁盘里读取的内容都会存储到这里，这样程序读取磁盘内容就会非常快。例如，使用grep和find等命令查找内容和文件时，第1次会比较慢，再次执行就快好多倍，几乎是瞬间。
• Buffer Cache：Buffer Cache是磁盘等块设备的缓冲，这部分内存数据是要写入到磁盘的。这里需要注意，位于内存 Buffer 中的数据不是即时写入磁盘的，而是系统空闲或者 Buffer达到一定大小统一写到磁盘中，所以断电易失。为了防止数据丢失，最好正常关机或者多执行几次sync命令，让位于Buffer上的数据立刻写到磁盘里。
  Page Cache可以极大地提高系统整体性能。例如，进程A读一个文件，内核空间会申请Page Cache与此文件对应，并记录对应关系，进程B再次读同样的文件就会直接命中上一次的Page Cache，读写速度显著提升。但注意，Page Cache会根据LRU算法（最近最少使用）进行替换。

实例

top(不支持docker)

top - 09:33:37 up 10 min,  0 users,  load average: 0.03, 0.17, 0.18
Tasks:   4 total,   1 running,   3 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.2 us,  0.2 sy,  0.0 ni, 99.3 id,  0.0 wa,  0.3 hi,  0.0 si,  0.0 st
MiB Mem :   1887.4 total,    463.7 free,    438.2 used,    985.6 buff/cache
MiB Swap:      0.0 total,      0.0 free,      0.0 used.   1303.0 avail Mem

    PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
      7 root      20   0 2553756 165584  16608 S   1.0   8.6   0:16.06 java
      1 root      20   0    2388    756    692 S   0.0   0.0   0:00.02 sh
     82 root      20   0    2388   1448   1356 S   0.0   0.1   0:00.01 sh
     98 root      20   0    7980   3100   2672 R   0.0   0.2   0:00.00 top

上面显示的mem也是宿主机的，不是docker实例的

free(不支持docker)

# free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          1.8Gi       437Mi       464Mi       2.0Mi       985Mi       1.3Gi
Swap:            0B          0B          0B

这里显示的是宿主机的，而非docker的

查看容器内存指标

# cat /sys/fs/cgroup/memory/memory.usage_in_bytes
240824320
# cat /sys/fs/cgroup/memory/memory.limit_in_bytes
536870912

通过/sys/fs/cgroup/memory/底下的文件查看到的就是docker实例使用的以及docker实例的内存限制

docker stats

CONTAINER ID   NAME               CPU %     MEM USAGE / LIMIT   MEM %     NET I/O       BLOCK I/O   PIDS
7f2f15949afc   practical_spence   0.75%     141.8MiB / 512MiB   27.70%    2.23kB / 0B   0B / 0B     45

docker status这里的MEM USAGE统计的是mem.Usage - mem.Stats["inactive_file"]

// calculateMemUsageUnixNoCache calculate memory usage of the container.
// Cache is intentionally excluded to avoid misinterpretation of the output.
//
// On cgroup v1 host, the result is `mem.Usage - mem.Stats["total_inactive_file"]` .
// On cgroup v2 host, the result is `mem.Usage - mem.Stats["inactive_file"] `.
//
// This definition is consistent with cadvisor and containerd/CRI.
// * https://github.com/google/cadvisor/commit/307d1b1cb320fef66fab02db749f07a459245451
// * https://github.com/containerd/cri/commit/6b8846cdf8b8c98c1d965313d66bc8489166059a
//
// On Docker 19.03 and older, the result was `mem.Usage - mem.Stats["cache"]`.
// See https://github.com/moby/moby/issues/40727 for the background.
func calculateMemUsageUnixNoCache(mem types.MemoryStats) float64 {
    // cgroup v1
    if v, isCgroup1 := mem.Stats["total_inactive_file"]; isCgroup1 && v < mem.Usage {
        return float64(mem.Usage - v)
    }
    // cgroup v2
    if v := mem.Stats["inactive_file"]; v < mem.Usage {
        return float64(mem.Usage - v)
    }
    return float64(mem.Usage)
}

func calculateMemPercentUnixNoCache(limit float64, usedNoCache float64) float64 {
    // MemoryStats.Limit will never be 0 unless the container is not running and we haven't
    // got any data from cgroup
    if limit != 0 {
        return usedNoCache / limit * 100.0
    }
    return 0
}

https://github.com/docker/cli/blob/master/cli/command/container/stats_helpers.go

k8s中统计

func decodeMemory(target *resource.Quantity, memStats *stats.MemoryStats) error {
    if memStats == nil || memStats.WorkingSetBytes == nil {
        return fmt.Errorf("missing memory usage metric")
    }

    *target = *uint64Quantity(*memStats.WorkingSetBytes, 0)
    target.Format = resource.BinarySI

    return nil
}

func setMemoryStats(s *cgroups.Stats, ret *info.ContainerStats) {
    ret.Memory.Usage = s.MemoryStats.Usage.Usage
    ret.Memory.MaxUsage = s.MemoryStats.Usage.MaxUsage
    ret.Memory.Failcnt = s.MemoryStats.Usage.Failcnt

    if s.MemoryStats.UseHierarchy {
        ret.Memory.Cache = s.MemoryStats.Stats["total_cache"]
        ret.Memory.RSS = s.MemoryStats.Stats["total_rss"]
        ret.Memory.Swap = s.MemoryStats.Stats["total_swap"]
        ret.Memory.MappedFile = s.MemoryStats.Stats["total_mapped_file"]
    } else {
        ret.Memory.Cache = s.MemoryStats.Stats["cache"]
        ret.Memory.RSS = s.MemoryStats.Stats["rss"]
        ret.Memory.Swap = s.MemoryStats.Stats["swap"]
        ret.Memory.MappedFile = s.MemoryStats.Stats["mapped_file"]
    }
    if v, ok := s.MemoryStats.Stats["pgfault"]; ok {
        ret.Memory.ContainerData.Pgfault = v
        ret.Memory.HierarchicalData.Pgfault = v
    }
    if v, ok := s.MemoryStats.Stats["pgmajfault"]; ok {
        ret.Memory.ContainerData.Pgmajfault = v
        ret.Memory.HierarchicalData.Pgmajfault = v
    }

    workingSet := ret.Memory.Usage
    if v, ok := s.MemoryStats.Stats["total_inactive_file"]; ok {
        if workingSet < v {
            workingSet = 0
        } else {
            workingSet -= v
        }
    }
    ret.Memory.WorkingSet = workingSet
}

kubectl top pod命令查询到的内存使用为Memory WorkingSet = Memory.Usage - memory.stat[total_inactive_file]。
k8s的OOMKiller使用的是container_memory_working_set_bytes指标，其计算指标如下：

container_memory_working_set_bytes 
= container_memory_usage_bytes - total_inactive_file
= total_cache + total_rss - total_inactive_file
= total_inactive_file + total_active_file + total_rss - total_inactive_file
= total_active_file + total_rss

oom killed

        "State": {
            "Status": "exited",
            "Running": false,
            "Paused": false,
            "Restarting": false,
            "OOMKilled": true,
            "Dead": false,
            "Pid": 0,
            "ExitCode": 137,
            "Error": "",
            "StartedAt": "2024-04-08T08:34:58.271711439Z",
            "FinishedAt": "2024-04-08T08:35:57.360091044Z"
        }

如果是因为内存原因被kill的话，通过docker inspect 容器id，查看State部分，可以看到"OOMKilled": true

小结

• docker容器的memory限制使用的是mem.Usage - mem.Stats["inactive_file"]与limit的对比，如果超出则会被kill；free及top显示的都是宿主机的内存信息
• kubectl top pod命令是通过memory_working_set(Memory.Usage - memory.stat[total_inactive_file])来统计容器的内存使用
• k8s的OOMKiller使用的是container_memory_working_set_bytes指标(total_active_file + total_rss)，如果超出该容器的limit，则会被OOMKiller销毁掉

doc

• 高性能Linux服务器运维实战
• 内存统计说明
• Docker容器内存监控
• 正确监控容器 OOMKill 的指标（译）
• Monitors the correct indicator of container OOMKill
• K8s OOMkiller
• 09 | Page Cache：为什么我的容器内存使用量总是在临界点?
• hcache
• k8s pod container内存指标说明
• 容器内存QoS
• buffer/cach内存占用过高及k8s java后端pod容器超出内存限制被kill重启
• Linux查看哪些进程占用的系统 buffer/cache 较高 (hcache，lsof）命令
• Linux cache占用大量内存，如何分析是哪些进程、文件导致？