docker优化之Cgroup资源配置

摘要

Docker通过 Cgroup 来控制容器使用的资源配额，包括CPU、内存、磁盘三大方面、基本覆盖了常见的资源配额和使用量控制。

Cgroup 是 Control Groups 的缩写，是linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源（如 CPU、内存、磁盘 IO 等等）的机制，被 LXC、docker 等很多项目用于实现进程资源控制。Cgroup 本身是提供将进程进行分组化管理的功能和接口的基础结构，I/O 或内存的分配控制等具体的资源管理是通过该功能来实现的。

一、参数的各种作用

bikio: 设置限制每个块设备的输入输出控制，例如磁盘，光盘以及usb 等

CPU：使用调度程序为 Cgroup 任务提供CPU 的访问

cpuacct: 产生 cgroup 任务的CPU 资源报告。

cpuset: 如果是核心的CPU，这个子系统会为 cgroup 任务分配单独的cpu 和内存。

devices: 允许或拒绝 cgroup 任务对设备的访问。

freezer：暂停和恢复 cgroup 任务。

memory: 设置每个 cgroup 内存限制以及产生内存资源报告。

net_cls: 标记每个网络包以供cgroup 方便使用

ns :命名空间子系统。

perl_event: 增加了对每个 group 的监测跟踪的能力，可以监测属于某个特定的 group 的所有线程以及运行在特定CPU 上的线程。

[root@node2 stress]# cat /proc/cgroups 
#subsys_name	hierarchy	num_cgroups	enabled
cpuset	10	4	1
cpu	2	94	1
cpuacct	2	94	1
memory	9	94	1
devices	5	94	1
freezer	6	4	1
net_cls	4	4	1
blkio	7	94	1
perf_event	11	4	1
hugetlb	8	4	1
pids	3	4	1
net_prio	4	4	1

二、使用方法

1、使用Dockerfile 来创建一个基于Centos 的stress 工具镜像

[root@node2 ~]# mkdir /opt/stress/
[root@node2 ~]# cd /opt/stress/
[root@node2 stress]# vi Dockerfile 
FROM centos:7
MAINTAINER stf
RUN yum install -y wget
RUN wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo
RUN yum install -y stress
~

2、创建镜像

[root@node2 stress]# docker build -t centos:stress .
Sending build context to Docker daemon  2.048kB
Step 1/5 : FROM centos:7
 ---> 8652b9f0cb4c
Step 2/5 : MAINTAINER stf
 ---> Using cache
 ---> 80468e999d52
Step 3/5 : RUN yum install -y wget
 ---> Using cache
 ---> 1bf1242cb2c2
Step 4/5 : RUN wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo
 ---> Using cache
 ---> 6ce5e3c164d0
Step 5/5 : RUN yum install -y stress
 ---> Using cache
 ---> 4af74c172bd2
Successfully built 4af74c172bd2
Successfully tagged centos:stress

3、--cpu-shares 参数

使用如下命令，命令中--cpu-shares 参数值不能保证1个 vcpu 或者多少GHzde cpu 资源，它仅是一个弹性的加权值。

[root@node2 stress]# docker run -itd --cpu-shares 100 centos:stress
d0e644192d2fe6dae8497459c643cabc00138f3de96d98fcab8bd2d58b113caa

说明：默认情况下，每个 Docker容器的cpu份额都是1024.单独一个容器的份额是没有意义的，只有在同时运行多个容器时，容器的 CPU 加权的效果才能体现出来。

例如：两个容器A B 的CPU 份额分别为 1200 和600 ，在CPU进行时间片分分配的时候，容器A比容器B 多一倍的机会获得 CPU的时间片。

但分配的结果取决于当时主机和其他容器的运行状态，实际上也无法保证容器 A 一定能获得CPU时间片。比如容器A 的进程一直是空闲，

那么容器B 是可以获取比容器A 更多的CPU 时间片的。极端情况下，例如主机上只运行了一个容器，即使它的cpu 份额只有 100 ，它也可以独占整个主机的CPU资源

Cgroups 只在容器分配的资源紧缺时，即在需要对容器使用的资源进行限制时，才会生效，因此，无法单纯根据某个容器的CPU份额来确定有多少CPU资源分配给它，资源分配结果取决于同时运行的其他容器的CPU分配和容器中进程运行情况

可以通过 CPU share 设置容器使用CPU 的优先级，比如启动了两个容器及运行查看CPU 使用百分比

创建两个容器

[root@node2 stress]# docker run -ite --name cpu1024 --cpu-shares1024 centos:stress stress -c 10
[root@node2 stress]# docker run -itd --name cpu513 --cpu-shares 512 centos:stress  stress -c 10

进入容器，并运行查看cpu 使用的百分比

可以看出两个容器%CPU 比例为1：2

4、CPU周期限制

Docker 提供了 -cpu-period、--cpu-quota 两个参数控制容器可以分配到的cpu 时钟周期

--cpu-period: 是用来指定容器对CPU 的使用要在多长时间内做一次重新分配。

--cpu-quota: 是用来指定在这个周期内，最多可以有多少时间用来跑这个容器。

与 --cpu-shares 不同的是，这种配置是指定一个绝对值，容器对cpu 资源的使用绝对不会超过配置的值

cpu-period 和 cpu-quota 的单位为微秒（us）.cpu-period 的最小值为1000 微秒，最大值为1秒（10^6 us）,默认值为0.1 秒（100000us）.

例如：容器进程需要每 1 秒使用单个 CPU 的 0.2 秒时间，可以将 cpu-period 设置为 1000000（即 1 秒），cpu-quota 设置为 200000（0.2 秒）。
当然，在多核情况下，如果允许容器进程完全占用两个 CPU，则可以将 cpu-period 设置为 100000（即 0.1 秒）， cpu-quota 设置为 200000（0.2 秒）。

[root@node2 stress]# docker run -itd --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress
54e857709e10b23d49a14aa36d8f3e5b3d316b69864468060032ed854fadee3b
[root@node2 stress]#

进入容器查看

[root@node2 stress]# docker exec -it 54e857709e10 bash
[root@54e857709e10 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us 
100000    
[root@54e857709e10 /]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us 
200000

5、CPU Core 控制

对多核 CPU 的服务器，Docker 还可以控制容器运行使用那些 CPU 内核，即使用--cpuset-cpus 参数

这对具有多CPU 的服务器尤其有用，可以对需要高性能计算的容器进行性能最优的配置。

[root@node2 stress]# docker run -itd --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress
3c4367894fef4887cdc2aec83d8881b52450a3b6e4b0ccea8c35331bd16785d3

执行以上命令需要宿主机为双核，表示创建的容器只能用 0、1两个内核。最终生成的 cgroup 的 CPU 内核配置如下

进入容器查看

[root@node2 stress]# docker exec -it 3c4367894fef  bash
[root@3c4367894fef /]# cat /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus 
0-1
[root@3c4367894fef /]# exit
exit
通过下列指令可以看到容器中进程与cpu内核的绑定关系，达到绑定cpu内核的目的
[root@node2 stress]# docker exec -it  3c4367894fef taskset -c -p 1##容器内部的第一个进程号pid为1，被绑定到指定到的cpu上运行
pid 1's current affinity list: 0,1

6、cpu配置控制参数的混合使用

通过cpuset-cpus参数指定容器A使用cpu内核0，容器B使用cpu内核1。
在主机上只有这个两个容器使用对应的cpu内核情况，它们各自占用全部的内核，cpu-shares没有明显的效果。
cpuset-cpus 、cpuset-mems 参数只在多核，内存节点上服务器有效，并且必须与实际的物理配置匹配，否则也无法达到资源控制的目的。
在系统具有多个cpu内核的情况下，需要通过cpuset-cpus 参数为设置容器cpu内核才能方便进行。

测试

[root@node2 stress]# docker run -itd --name cpu2 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1
7248e9e5a4ed4e90fc567e7549e321f81ccdb7e7cca31b3bb122c2b6c552e352

[root@node2 stress]# docker run -itd --name cpu4 --cpuset-cpus 3 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1
12998bfd195ba40eb345ae339b824bfabf351e8986ff254ebb63ea9f9e76b432

#分别进入cpu2和cpu3查看cpu使用率，有下面数据可知，cpu1和3使用率达到了100%，权重对它们没有影响

进入cpu2查看

[root@node2 stress]# docker exec -it 7248e9e5a4ed bash
[root@7248e9e5a4ed /]# top

进入cpu4查看cpu使用情况

[root@node2 stress]# docker exec -it 12998bfd195b   bash
[root@12998bfd195b /]# top

7、内存限制

与操作系统类似，容器可使用的内存包括两个部分：物理内存和swap
容器通过 -m或-memory 设置内存的使用限额，例如： -m 300M; 通过-memory-swap设置内存+swap 的使用限额
实例如下，允许容器最多使用250M的内存和350M的swap

[root@node2 stress]# docker run -it -m 250M --memory-swap=350M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 300
// --vm 1 ，代表启动一个内存工作线程
// --vm-bytes 280 M ，代表每个线程可以分配350M内存

默认情况下，容器可以使用主机上的所有空闲内存。
上述配置与cpu的cgroup的配置类似，Docker会自动为容器目录/sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器ID> 中创建相应的cgroup的配置文件　　

注：如果分配的内存超过限额，stress线程就会报错，容器会自动退出

8、Block IO的限制

默认情况下，所有容器能平等地读写磁盘，可以通过设置 -blikio-weight 参数来改变容器block IO 的优先级

//--blkio-weight 与--cpu-shares 类似，设置的是相对权重值，默认为500。
[root@node2 stress]# docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
[root@fb4898c27e33 /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
600
[root@fb4898c27e33 /]# exit
exit
[root@node2 stress]# docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress
[root@eed43b789fec /]# cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight
300

9、bps和iops 的限制

bps是byte per second，每秒读写的数据量。iops是io per second, 每秒IO的次数。
可通过以下参数控制容器的bps和iops:

--device-read-bps：限制读某个设备的bps.
--device-write-bps：限制写某个设备的bps.
--device-read-iops：限制读某个设备的iops.
--device-write-iops：限制写某个设备的iops。

下面的示例是限制容器写/dev/sda 的速率为5 MB/s，/按ctrl+c中断查看

docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress 
[root@node2 stress]# docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress 
[root@7d49c23d0811 /]# dd if=/dev/zero of=test bs=1M/按ctrl+c


43+0 records out
45088768 bytes (45 MB) copied, 8.60301 s, 5.2 MB/s

通过dd命令测试在容器中写磁盘的速度。因为容器的文件系统是在host /dev/sda 上的，
在容器中写文件相当于对host /dev/sda进行写操作。另外，oflag=direct 指定用direct IO方式写文件，
这样–device-write-bps 才能生效。

结果表明限速5MB/s 左右。作为对比测试，创建一个普通容器，没有做限速，查看其写速度。

[root@node2 stress]# docker run -it centos:stress
[root@58c31529eca8 /]#  dd if=/dev/zero of=test2 bs=1M count=1024 oflag=direct

在多个容器运行时，必须使用上述的参数设置优化，不能把所有的资源给其中一个容器，会造成资源浪费，容器不稳定。