5分鐘了解Docker原理之二，最簡單的Cgroups介紹！
本文轉載自微信公眾號「小姐姐味道」，作者小姐姐養的狗 。轉載本文請聯系小姐姐味道公眾號。
很多接觸Docker的同學，都接觸過cgroup這個名詞。它是Linux上的一項古老的技術，用來實現資源限制，比如CPU、內存等。但有很多同學反映，這項技術有點晦澀，不太好懂。
這就是本篇文章存在的目的，會讓你以最簡單直觀的方式，了解cgroups到底是個什么東西。
cgroups，是實現docker功能的重要底層設施。如上圖，使用cgroups，能夠把操作系統的各項資源變成池子，然后通過配置獲取相應的資源。
那它是怎么實現的呢?
要注意cgroups這個名詞，它有兩個特性。首先是c，就是Control的意思，是個動詞;第二部分，就是groups，證明它是個組。
1. 動詞的目標
control，用來限制什么呢?除了CPU、內存，還有啥?
使用mount命令，查看當前系統支持的限制目標，它有個專用的名詞，叫做子系統。
- # mount | grep cgroup
- tmpfs on /sys/fs/cgroup type tmpfs (ro,nosuid,nodev,noexec,mode=755)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,xattr,release_agent=/usr/lib/systemd/systemd-cgroups-agent,name=systemd)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,blkio)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,devices)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuacct,cpu)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,net_prio,net_cls)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuset)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory)
- 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/hugetlb type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,hugetlb)
- cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,perf_event)
不同的系統版本，會有一些細微的區別，大體上，子系統的分類包含下面這些：
- cpu,cpuacct cpu主要限制進程的 cpu 使用率，cpuacct可以統計 cgroups 中的進程的 cpu 使用報告
- cpuset 可以為 cgroups 中的進程分配單獨的 cpu 節點或者內存節點，就像Numa做的那些事情一樣
- blkio 可以限制進程的塊設備 io，比如物理設備(磁盤，固態硬盤，USB 等等)
- devices 控制進程能夠訪問某些設備
- net_cls 標記 cgroups 中進程的網絡數據包，然后可以使用 tc 模塊(traffic control)對數據包進行控制
- net_prio — 這個子系統用來設計網絡流量的優先級
- freezer 可以掛起或者恢復 cgroups 中的進程。
- ns 可以使不同 cgroups 下面的進程使用不同的 namespace
- hugetlb 主要針對于HugeTLB系統進行限制，這是一個大頁文件系統。
內容很多，但我們平常關注的大多數就是內存和CPU，這些繁雜的細節，不影響我們理解它的設計原則。
下面就以CPU為例，來看一下子系統的實際表現。
2. CPU使用限制的例子
首先，我們進入cpu子系統目錄。
- cd /sys/fs/cgroup/cpu
然后，創建一個組名為xjjdog的cgroups，這個名字，就叫做控制組。
- mkdir xjjdog
這時候，神奇的事情發生了。我們使用ll命令，查看xjjdog目錄中的內容，發現系統已經為我們默認生成了一堆文件。
- # ll xjjdog/
- total 0
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cgroup.clone_children
- --w--w--w- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cgroup.event_control
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cgroup.procs
- -r--r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpuacct.stat
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpuacct.usage
- -r--r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpuacct.usage_percpu
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpu.cfs_period_us
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpu.cfs_quota_us
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpu.rt_period_us
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpu.rt_runtime_us
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpu.shares
- -r--r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 cpu.stat
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 notify_on_release
- -rw-r--r-- 1 root root 0 Jan 28 21:09 tasks
通過控制這些文件里面的數值，就可以對資源進行限制。比如cpu.cfs_quota_us文件，如果我們往里寫入100000(十萬)，那么就證明使用了xjjdog的cgroup，最多能夠使用1核的CPU。寫入20000，證明最多使用使用1/5核的CPU。
這是因為，cpu.cfs_period_us這個配置文件，默認把1核cpu分成了10萬份。
那我們就寫入20000試一下。
- sudo echo 20000 > xjjdog/cpu.cfs_quota_us
我們把當前shell的pid，加入被受控進程列表。
- echo $$ > xjjdog/tasks
執行完畢之后，再啟動一個死循環。
- while true;do ;done;
重新打開一個shell，使用top觀察CPU的使用率?？梢园l現，我們的死循環，最多只使用了20%的CPU。us保持在20%以下，且不間斷的在各個cpu之間切換。
依次試驗以下的命令，可以發現CPU的使用，會逐步增加，大體上和我們的限額是相等的。
- sudo echo 40000 > xjjdog/cpu.cfs_quota_us
- sudo echo 60000 > xjjdog/cpu.cfs_quota_us
- sudo echo 100000 > xjjdog/cpu.cfs_quota_us
其他的資源限制，都是類似的思路。那么最重要的工作，就是需要知道cpu.cfs_quota_us這樣的字眼，代表的是什么意思，這些對著手冊來看是很容易掌握的。比如quota是配額的意思，很明顯就是限制資源的使用。
如上圖，子系統可以控制多個tasks，把它納入到控制組之內。我們上篇文章講到，可以將bash進程，作為docker系統的1號進程，那么同樣的，這個1號進程的子進程，都會共享同樣的限額配置。
3. group的意思
淺顯的來講，group就是指的對各種資源進行分組。不同名字的資源，有不同的隔離配置。但它有更多的特性。
比較重要的，是它的層級關系(hierarchy)。這個也比較好理解，它主要是為了簡化配置而存在的。
比如我上面的xjjdog目錄，對cpu的限制限制在0.5核。這時候，我想要有另外一個應用，對cpu的使用限制在0.5核，同時限制內存1gb，那么就可以直接在xjjdog目錄下創建xjjdog0目錄，在xjjdog0目錄下只配置內存方面的就可以了。
另外，如果你在外層的cpu限額限制了2core，然后在繼承的目錄里限制了1/5核，那它就只能使用操作系統的2/5核。這也是繼承的一個特性。
End
cgroups是2006年誕生的，發起人是Google 的工程師(Rohit Seth 和 Paul Menage )。在 2008 年成功合入 Linux 2.6.24 版本中，可以說這項技術是很古老的。cgroups目前已經成為 systemd、Docker、Linux Containers(LXC) 等技術的基礎。
像Windows平臺的WSL，是沒有cgroups功能的，使用mount命令可以驗證，這證明了它是不能把docker跑起來的，因為缺乏基礎。不過，WSL2已經可以了。
有些同學對docker目前的發展現狀有些擔心，但當你熟悉了這幾個常見的底層原理，讀完容器的標準之后，就會發現，上層的實現無論是換成docker也好，換成containerd也罷，都一樣!
作者簡介：小姐姐味道 (xjjdog)，一個不允許程序員走彎路的公眾號。聚焦基礎架構和Linux。十年架構，日百億流量，與你探討高并發世界，給你不一樣的味道。我的個人微信xjjdog0，歡迎添加好友，進一步交流。
