1 cgroup 介绍

1.1 cgroup 介绍

cgroup 全称 control group，控制组。通过 cgroup 可以限制应用使用的资源，资源包括 cpu、内存、磁盘 io、网络等。

工作中经常使用的 docker 容器就使用了 cgroup 进行资源限制和隔离，cgroup 是 docker 的基础。

cgroup 相关的配置在 /sys/fs/cgroup 目录下，如下图所示，blkio 用于限制应用的磁盘 io，cpu 用来限制 cpu，memory 用来限制内存，cpuset 用来限制应用可以运行在哪几个核上，net_cls 可以限制应用的网络带宽。

在 cgroup 中 blkio、 cpu、 memory、 cpuset、net_cls,netprio 这些被称为一个 controller。

 1.2 树状结构

cgroup 是树状结构，以  cpu 为例，/sys/fs/cgroup/cpu 是 cpu 资源限制的根节点，cpu 根节点中的 cpu.cfs_quota_us 是 -1，表示不对普通调度策略的线程做限制。

如果我们在 cpu 目录下创建一个目录 cgroup1，然后在 cgroup1 目录下创建 3 个目录，分别是 cgroup3，cgroup4，cgroup5。那么  cgroup3 ~ cgroup5 中的应用使用的 cpu 资源之和不会大于 cgroup1 中配置的资源。

树状结构的子节点的资源之和，不能大于它们的父节点的资源。假如 cgroup1 中限制的 cpu 是 100%，那么 cgroup1, cgroup3, cgroup4, cgroup5 这 4 个控制组中的进程所使用的 cpu 之和就不会超过 100%。

1.3 cgroup 使用示例

下边以 cpu 资源为例，说明 cgroup 使用的方式：

下边的代码，里边只有一个 while(1) 死循环，这个程序跑起来之后默认情况下会占用  100% 的 cpu。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
  while(1);
  return 0;
}

如果我们不想让这个代码的 cpu 使用率在 100%，想把这个程序占用的 cpu 限制在 10% 以内，那应该怎么做呢 ？

① 进入目录

 cd /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/

② 创建并进入 hello 文件夹

mkdir hello

cd hello/

从下图中可以看到，在 cgroup 下创建一个文件夹，和在一个普通目录下创建一个文件夹不一样，在普通目录下创建的文件夹是空的，而在 cgroup 下创建的文件夹内部默认生成了一些文件，对 cgroup 的配置就是通过操作这些配置文件来完成。linux 中很多配置都是这么实现的，一个配置文件对应一个配置，通过 echo 写配置文件的方式来修改配置。

③ 设置 cpu 限制

echo 10000 >cpu.cfs_quota_us

cat cpu.cfs_period_us

100000

cpu.cfs_quota_us 和 cpu.cfs_period_us 的比值就是这个 cgroup 的 cpu 使用率。

cpu 使用率为 100% 表示应用占满了一个 cpu 核。在 linux 中，cpu 使用率是可以大于 100% 的，机器有几个 cpu 核，比如是 8，那么最大可占用的  cpu 是 800%。

④ 将进程号(pid)加入到 cgroup 中

echo xxx > cgroup.procs

执行完上述 4 个步骤之后，再使用 top 命令来查看，就能看到这个进程的 cpu 使用率在 10%。

当然也可以将多个进程号加入到一个 cgroup 里边，那么多个进程的 cpu 使用率之和会被限制在配置的资源之内。

1.4 cgroup v1 和 cgroup v2

cgroup 有两个版本，v1 和 v2。

当看到 v1 和 v2 时，我们常常会认为高版本可以完全替换低版本，各个方面都要优于低版本，并且两个版本只能二选一，不能同时使用。但是对于 cgroup v1 和 cgroup v2 来说，v2 并不能完全替换 v1，当前 ubuntu 20.04 的默认版本还是 v1，并且 v1 和 v2 可以同时使用，比如对于一个进程来说，cpu 使用 v1 来限制，blkio 使用 v2 来限制，这样也是可以的。

1.4.1 区别

（1）cgroup v2 只有一个根节点，v1 是每种资源都对应一个根节点

这是在呈现形式上，最明显的一个区别。

cgroup v1 的根节点如下，每种资源都有一个根节点，比如 memory， cpu，如果一个应用需要限制 memory，也需要限制 cpu，那么就需要在这两个根节点下分别配置。

cgroup v2 只有一个根节点，应用如果想同时限制 memory 和 cpu 资源，只需要创建一个文件夹就可以，不需要每种资源都创建一个文件夹。

（2）cgroup v2 对磁盘 io 的限制更完善

cgroup v1 中 blkio 对文件读写的速率和带宽进行限制，但是这个功能不完善，只能限制 direct io 这种方式。但是我们大多数时候的使用场景是有缓存的读写，v1 中的 blkio 对这种无缓存的读写无法限制，cgroup v2 进行了完善，支持了对有缓存读写这种方式的限制。

（3）cgroup v2 没有对网络发送进行限制

本人在 cgroup v2 中没有找到 net 的 controller。如果想要对网络发送进行限制，需要使用 cgroup v1 中的 net_cls。

1.4.2 配置

cgroup v1 和 cgroup v2 的配置，在启动参数中进行配置，配置完毕之后需要重启才能生效。

ubuntu 中需要修改配置文件 /etc/default/grub。如下配置的意思是不使用 cgroup v1 中的 blkio，这个配置之后执行 update-grub，然后重启机器，就能看到 blkio 文件夹下是空的，也就是说 cgroup v1 下的 blkio 没有生效。如果需要设置 blkio 需要在 unified 下进行设置，这里相关的配置文件就是 cgroup v2 中对 io 限制的配置文件。

如果是在 ubuntu 22.04 的环境下，默认的 cgroup 版本是 v2 的。如果想将 v2 切回到 v1，则需要修改如下配置，该配置为 0 则是 v1，为 1 则是 v2。

2 cgroup controller

2.1 内存

从 cgroup memory 的官方文档中可以看到，可以限制的内存种类包括以下 3 种：

（1）用户态使用的内存

page cache 和匿名内存

（2）内核态的内存，比如 dentry 和 inode 缓存

（3）tcp 缓冲区使用的内存

memory.limit_in_bytes：

用户态可以申请的内存的最大值。

memory.memsw.limit_in_bytes：

可以使用的内存和 swap 内存之和的最大值。

memory.memsw.limit_in_bytes 的值不能小于 memory.limit_in_bytes。

比如设置 memory.limit_in_bytes 为 1G，设置 memory.memsw.limit_in_bytes 为 2G，那么应用使用内存超过 1G 的时候就会使用 swap 内存，内存和 swap 内存之和最多可以使用 2G。

memory.usage_in_bytes：

显示当前使用的内存。

memory.memsw.usage_in_bytes：

显示当前使用的内存和 swap 之和。

在实际使用中往往只设置 memory.limit_in_bytes，memory.memsw.limit_in_bytes 在默认情况下是一个极大的值。这样的话，当内存使用达到限制之后，便会使用 swap 内存。

在测试中发现，memory.memsw.usage_in_bytes 至少要比 memory.usage_in_bytes 大 200k 以上，swap 才能生效，如果后者设置为 200k，前者设置为 400k，那么 swap 是不生效的，前者设置为 500k，那么会用 100k 的 swap。

memory.oom_control:

默认情况下如果应用使用的内存超过了 memory.memsw.limit_in_bytes 中设置的值，会被 kill 掉。

如果使用 echo 1 > memory.oom_control 将 oom kill disable 掉，那么当内存使用达到 memory.memsw.limit_in_bytes 时，应用不会被 kill 掉，应用会被 hung 住，查看进程的状态是 D 状态。

memory.kmem.tcp.limit_in_bytes：

tcp 缓冲区使用的内存。

2.3 io

io 是限制应用读写磁盘的速率，有 4 个参数可以设置：

 wbps: 每秒可写的字节数

  rbps: 每秒可读的字节数

wiops: 每秒写次数

 riops: 每秒读次数

另外，设置 io 的时候，还需要指定 block 设备号，如下图所示，在 /sys/dev/block 下边显示机器中所有的块设备。设备号即下边的 8:3, 8:2 这些。

blkio 需要使用 v2:

cgroup v1 中 blkio 对文件读写的速率和带宽进行限制，但是这个功能不完善，只能限制 direct io 这种方式。我们大多数时候的使用场景是有缓存的读写，v1 中的 blkio 对这种无缓存的读写无法限制，cgroup v2 进行了完善，支持了对有缓存读写这种方式的限制。

2.2 cpu

对 cpu 的限制和调度策略有关，普通调度策略和实时调度策略的配置参数是分开的，并不是设置一个参数，这个进程内的所有线程，不管是什么调度策略都能限制。

普通调度策略：

cpu.cfs_period_us: 分配时间的间隔，默认是 100000, 也就是 100ms，每隔 100ms 分配一次时间

cpu.cfs_quota_us：在 period 内分配多长的时间，设置为 -1，意思为不做限制。

如果想让一个进程完全使用两个  cpu，则配置如下：

cpu.cfs_period_us=100000，cpu.cfs_quota_us=200000

上述这两个参数的单位是 μs，下限是 1000，不能设置小于 1000 的值

rt 调度策略：

cpu.rt_period_us

cpu.rt_runtime_us

rt 的这两个参数与 cfs 的两个参数意思类似

如果进程已经占用了 100% 的 cpu，这个时候修改限制值，进程实际占用的 cpu 会随着限制值变化而变化。

2.2.1 CONFIG_RT_GROUP_SCHED

如果想要支持对 rt 调度策略的限制，需要在编译内核时打开这个配置。

2.2.2 实时调度策略 cpu 最大比例

实时调度策略的优先级是高于普通调度策略的。当有实时调度策略的线程在运行时，普通调度策略的线程是得不得机会运行的。如果系统中所有的核都被实时线程占满，这个是后系统会卡死，想要使用 kill -9 把进程杀死也可能做不到，因为 kill -9 运行的时候也是起一个进程，这个进程也得不到机会运行。

所以内核中增加了一个配置 /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us，通过这个配置可以决定实时调度策略最大能占用的 cpu 的比例，默认是 95%，这样有 5% 的时间可以运行普通线程。

2.2.3 [坑]system.slice 和 user.slice

/sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/system.slice/cpu.rt_runtime_us/cpu.rt_runtime_us

在有些系统中，该配置默认是 0，也就是不允许配置 rt 调度策略。而 linux 中 systemd 启动的服务如果需要配置 rt 调度策略，需要使用 system.slice 的份额。只有这个配置大于 0，systemd 启动的服务才可以配置 rt 调度策略。

systemd 启动的服务会在 system.slice 中创建一个节点，这个节点下的 cpu.rt_runtime_us 也需要配置大于 0。

/sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/user.slice/cpu.rt_runtime_us

我们手动启动的进程，如果要配置实时调度策略，是使用的 user.slice 中的份额。

需要该配置大于 0，手动启动的服务才可以配置 rt 调度策略。

2.2.4 单核 95% 还是整机的 95%

默认情况下，rt 调度策略只能使用 cpu 的 95%。

这里的 95% 是单核 95% 还是整机的 95% ？

假如机器有 8 个核，启动 2 个 rt 线程，如果是单核 95%，那么这两个线程每个线程都会占用 95% 的  cpu；如果是整机 95%，那么这两个线程分别能占用 cpu 的 100%，也就是说每个线程都能占满一个核，因为整机的 95% 是 800% * 0.95 = 760%，200% 还没有达到 760% 。

本人在工作中观察到的现象是：

如果内核没有配置 CONFIG_RT_GROUP_SCHED，那么就是单核 95%；

如果配置了 CONFIG_RT_GROUP_SCHED，那么就是整机 95%。

2.4 cpuset

cpuset 可以用来绑核。

cpuset.cpus:

可以设置 cgroup 的进程运行在哪些核上，

比如 echo 0-2,3 > cgroup.cpus，那那么加入到这个 cgroup 的进程就只能运行到 0, 1, 2, 3 这 4 个核上。其中 0-2 也可以写成 0,1,2, echo 0,1,2,3 > cgroup.cpus。

cpuset.mems:

可以使用 numactl --hardware 看看内存有几个 numa，这个配置是设置内存的节点。

cgroup v1 中使用 cpuset 的时候，cpuset.mems 和 cpuset.cpus 这两个配置都需要配才能使用。如果只配置了 cpuset.cpus 而没有配置 cpuset.mems，那么在向 cgroup.procs 加入进程号的时候会返回失败。

cgroup v2 中使用 cpuset 的时候，如果只配置了 cpuset.cpus 而没有配置 cpuset.mems，也是可以使用的。

2.4.1 cpuset 和绑核不一致时怎么处理

如下代码可以设置线程的亲和性。当 cpuset 和代码中的亲和性不一致时，是什么现象 ？

int32_t set_affinity(int8_t cpu_no)
{
    cpu_set_t cpuset;
    pthread_t thread;
    CPU_ZERO(&cpuset);
    CPU_SET(cpu_no, &cpuset);
    thread = pthread_self();
    if (pthread_setaffinity_np(thread, sizeof(cpuset), &cpuset) != 0)
    {
        printf("worker binding core failed, cpu_id %u\n", cpu_no);
        return -1;
    }
    return 0;
}

以 cpuset 为准，无论 cpuset 是先操作的还是后操作的，都是以 cpuset 为准。

（1）先加入 cpuset, 后通过 pthread_setaffinity_np() 设置亲和性，如果不一致，则设置失败。

（2）代码中先通过 pthread_setaffinity_np() 设置了亲和性，后加入到 cpuset 中，如果不一致，则以 cpuset 为准。

2.5 网络带宽

cgroup 中的 net_cls 可以用于限制应用发送侧的网络带宽。

其中要借助内核的 tc (traffic classifier) 来实现，cgroup net_cls 和 tc 关联的桥梁是一个 classid。

如下是一个官方的例子：

https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v1/net_cls.txt

cd /sys/fs/cgroup/net_cls

mkdir hello

cd hello

echo 0x100001 > net_cls.classid

id 的格式是 0xAAAABBBB，其中 AAAA 是 major handle number，BBBB 是 minor handle number。

tc qdisc add dev ens33 root handle 10: htb
tc class add dev ens33 parent 10: classid 10:1 htb rate 40mbit

上边连个指令，设置将发送速率限制在 40mbit/s。