(5)500行代码手写docker-完成硬件资源约束cgroups

本系列教程首要是为了弄清楚容器化的原理，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，理论一直不及动手实践来的深刻，所以这个系列会用go语言完成一个类似docker的容器化功用，最终能够容器化的运转一个进程。

本章的源码已经上传到github，地址如下:

https://github.com/HobbyBear/tinydocker/tree/chapter5

之前咱们对容器的网络命名空间，文件体系命名空间都进行了装备，说到底这些都是为了资源更好的阻隔，可是他们无法办到对硬件资源运用的阻隔，比方，cpu，内存，带宽，而今日要介绍的cgroups技能便能够对硬件资源的运用产生阻隔。

cgroups技能简介

cgroups技能是内核提供的功用，能够经过虚拟文件体系接口对其进行拜访和更改。mount 指令能够查看cgroups在虚拟文件体系下的挂载目录。

root@ecs-295280:~# mount | grep  cgroup
tmpfs on /sys/fs/cgroup type tmpfs (ro,nosuid,nodev,noexec,mode=755)
cgroup2 on /sys/fs/cgroup/unified type cgroup2 (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,nsdelegate)
cgroup on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,xattr,name=systemd)
cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,blkio)
cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,net_cls,net_prio)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuset)
cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,perf_event)
cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,freezer)
cgroup on /sys/fs/cgroup/pids type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,pids)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpu,cpuacct)
cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,devices)
cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory)
cgroup on /sys/fs/cgroup/hugetlb type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,hugetlb)
cgroup on /sys/fs/cgroup/rdma type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,rdma)
root@ecs-295280:~#

一般默许的挂载目录是在/sys/fs/cgroup 目录下，体系内核在开机时，会默许挂载cgroup目录。这样便能经过拜访文件的方法对cgroup功用进行运用。

在/sys/fs/cgroup/ 目录下，咱们看到的每个目录例如cpu，blkio被称作subsystem子体系，每个子体系下能够设置各自要办理的进程id。

root@ecs-295280:~# ls /sys/fs/cgroup/
blkio    cpu,cpuacct  freezer  net_cls           perf_event  systemd
cpu      cpuset       hugetlb  net_cls,net_prio  pids        unified
cpuacct  devices      memory   net_prio          rdma

拿cpu这个目录下的文件举例

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu# ls
cgroup.clone_children  cpuacct.usage_percpu_sys   cpu.stat
cgroup.procs           cpuacct.usage_percpu_user  ebpf-agent
cgroup.sane_behavior   cpuacct.usage_sys          hostguard
cpuacct.stat           cpuacct.usage_user         notify_on_release
cpuacct.usage          cpu.cfs_period_us          release_agent
cpuacct.usage_all      cpu.cfs_quota_us           tasks
cpuacct.usage_percpu   cpu.shares
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu# ll -l

在cpu子体系这个目录下，有两个文件cgroup.procs，tasks文件，它们都是用来办理cgroup中的进程。可是，它们的运用方法略有不同：

cgroup.procs文件用于向cgroup中增加或删除进程，只需要将进程的task id写入该文件即可。

tasks文件则是用于将整个进程组增加到cgroup中。假如将一个进程组的pid写入tasks文件，则该进程组中的一切进程都会被增加到cgroup中。

进程被参加到这个cgroup组今后，其运用的cpu带宽将会遭到cpu.cfs_quota_us和cpu.cfs_period_us的影响。经过shell指令查看他们的内容。

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu/test# cat cpu.cfs_period_us
100000
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu/test# cat cpu.cfs_quota_us
-1

默许情况下，cpu.cfs_period_us是100000，单位是微秒，cpu.cfs_period_us代表了cpu运转一个周期的时长，100000代表了100ms，cpu.cfs_quota_us代表进程所占用的周期时长，-1代表不约束进程运用cpu周期时长，假如cpu.cfs_quota_us是50000(50ms)则代表在cpu一个调度周期内，该cgroup下的进程最多只能运转半个周期，假如到达了运转周期的约束，那么它必须等候下一个时刻片才能继续运转了。

命名行实践下cgroups阻隔特性

咱们来实验下:

对cpu运用率进行约束

在cpu的一级目录下，是包含了当时体系一切进程，为了不影响它们，咱们在cpu的一级目录下创立一个test目录，然后独自的在test目录中的tasks文件参加进程id。

❗️cgroup的每个子体系是分级的，这个等级体现在目录层级上，默许子目录会承继父目录的特点，子目录也能够经过修正子目录下的文件，来覆盖掉父目录的特点。

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu/test# pwd
/sys/fs/cgroup/cpu/test

设置cpu.cfs_quota_us为一个时刻片的一半，设置tasks，把当时进程参加到cgroup中

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu/test# cat cpu.cfs_quota_us
50000
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu/test# sh -c "echo $$ > tasks"
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu/test# cat tasks
65961
66314

在当时shell 界面，经过stress对cpu进行压力测验。我的虚拟机是一个核，我这里直接经过stress对这一个cpu核进行压测。

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/cpu/test# stress --cpu 1 --timeout 60

启动另一个终端，查看cpu占用情况

Tasks:  94 total,   2 running,  92 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s): 51.9 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 48.1 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
MiB Mem :   1982.9 total,    451.3 free,    193.4 used,   1338.2 buff/cache
MiB Swap:      0.0 total,      0.0 free,      0.0 used.   1597.9 avail Mem
    PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
  66333 root      20   0    3856    100      0 R  50.3   0.0   0:06.00 stress
      1 root      20   0  102780  12420   8236 S   0.0   0.6   0:05.93 systemd

能够看到的是cpu占用率在到达百分之50时就不上去了，这正是由于stress进程是bash进程的子进程，承继了bash进程的cgroup，所以cpu运用率遭到了约束。

对内存运用率进行约束

再来看看怎么经过cgroup对内存进行约束，这次咱们就应该进入到memory这个子体系的目录了，同样咱们在其下面创立一个test目录。

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory# mkdir test
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory# cd test/
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory/test# pwd
/sys/fs/cgroup/memory/test

然后把当时进程加进去

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory/test# sh -c "echo $$ > tasks"
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory/test# cat tasks
65961
66476

设置最大运用内存，memory目录下约束最大运用内存需要设置memory.limit_in_bytes 这个文件，默许情况下，它是一个大的离谱的值，咱们将它改为100M

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory/test# cat memory.limit_in_bytes
9223372036854771712
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory/test# vim memory.limit_in_bytes
root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory/test# cat memory.limit_in_bytes
104857600

这个时分经过stress 对内存进行压力测验，咱们约束了100M，可是假如stress要求分配200M内存，看看能正常分配吗？

root@ecs-295280:/sys/fs/cgroup/memory/test# stress --vm-bytes 200m --vm-keep  -m 1
stress: info: [66533] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 1 vm, 0 hdd
stress: FAIL: [66533] (415) <-- worker 66534 got signal 9
stress: WARN: [66533] (417) now reaping child worker processes
stress: FAIL: [66533] (451) failed run completed in 0s

能够看到的是，程序溃散了，原因则是由于发生了oom，由于内存已经被咱们约束到了100M，经过test目录下的memory.oom_control文件能够看到发生oom的次数。

oom_kill_disable 0
under_oom 0
oom_kill 1

oom_kill 为1代表发生oom后，进程被kill掉的次数。

在简略看完cgroup怎么对cpu和内存进行约束今后，看看golang代码怎么完成。

golang代码完成cgroups装备

在用代码对cgroup的操作本质上便是对cgroup的文件进行操作。

cmd.Stdout = os.Stdout
		cmd.Stderr = os.Stderr
		err = cmd.Start()
		if err != nil {
			fmt.Println(err)
		}
		containerName := os.Args[2]
		if err := cgroups.ConfigDefaultCgroups(cmd.Process.Pid, containerName); err != nil {
			log.Error("config cgroups fail %s", err)
		}
		if err := network.ConfigDefaultNetworkInNewNet(cmd.Process.Pid); err != nil {
			log.Error("config network fail %s", err)
		}
		cmd.Wait()
		cgroups.CleanCgroupsPath(containerName)

在前面代码的基础上，启动子进程后，父进程把子进程pid增加到一个新的cgroup中，cgroups.ConfigDefaultCgroups方法用于完成对cgroup的操控，以容器名作为cgroup子体系的目录，然后当子进程容器履行完毕后，经过cgroups.CleanCgroupsPath去对cgroup相关目录进行整理。

func CleanCgroupsPath(containerName string) error {
	output, err := exec.Command("cgdelete", "-r", fmt.Sprintf("memory:%s/%s", dockerName, containerName)).Output()
	if err != nil {
		log.Error("cgdelete fail err=%s output=%s", err, string(output))
	}
	output, err = exec.Command("cgdelete", "-r", fmt.Sprintf("cpu:%s/%s", dockerName, containerName)).Output()
	if err != nil {
		log.Error("cgdelete fail err=%s output=%s", err, string(output))
	}
	return nil
}

整理cgroup的方法我用了cgdelete 指令删除去容器cgroup的装备，直接remove删除会呈现删除失利情况。

总结

这也是我关于手写容器系列的终章，算是对容器原理的一个入门级解说，其实后续还能够针对它做很多优化，比方完成不同主机上的容器互联，完成容器日志的功用，完成端口映射，完成卷映射功用，这些功用其实都是建立在咱们讲的容器原理之上的，懂了原理便能一通百通，希望能给你带来启示。

500行代码手写docker-实现硬件资源限制cgroups

(5)500行代码手写docker-完成硬件资源约束cgroups

cgroups技能简介

命名行实践下cgroups阻隔特性

对cpu运用率进行约束

对内存运用率进行约束

golang代码完成cgroups装备

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500行代码手写docker-实现硬件资源限制cgroups

(5)500行代码手写docker-完成硬件资源约束cgroups

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命名行实践下cgroups阻隔特性

对cpu运用率进行约束

对内存运用率进行约束

golang代码完成cgroups装备

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