CGroups:资源管理和控制

一、概述

CGroups，全称为Control Groups，是Linux内核的一项关键技术，主要用于限制、记录和隔离进程组使用的物理资源。这些资源包括但不限于CPU时间、内存、磁盘I/O和网络带宽。CGroups的功能不仅限于资源限制，还涵盖了资源的优先级调整、使用量统计、进程隔离和进程控制等方面。随着轻量级容器技术的发展，如Docker，CGroups成为了实现资源高效管理和隔离的重要工具。

1.1 CGroups的核心功能

CGroups提供了多种资源管理功能，主要包括：
1. **资源限制**：例如，可以通过memory子系统为进程组设置内存使用上限，一旦达到限额，系统将触发OOM（Out of Memory）事件。
2. **优先级控制**：如使用cpu子系统为特定进程组分配CPU份额，提高其执行优先级。
3. **资源使用统计**：通过cpuacct子系统记录进程组的CPU使用时间，帮助监控资源使用情况。
4. **进程隔离**：利用ns子系统实现不同进程组之间的命名空间隔离，确保各组独立运行。
5. **进程控制**：例如，使用freezer子系统实现进程组的暂停和恢复。

1.2 CGroups的关键术语

为了更好地理解和使用CGroups，了解其关键术语至关重要：
1. **Task**：指的是系统中的一个进程。
2. **Control Group**：按照一定标准划分的一组进程。CGroups中的资源控制均以控制组为单位实现。
3. **Hierarchy**：控制组可以形成层次结构，子组继承父组的某些属性。
4. **Subsystem**：每个资源控制器被称为一个子系统，如cpu子系统负责CPU时间的分配。

1.3 CGroups的子系统

CGroups为每种可控制的资源定义了一个子系统，常见的子系统包括：
- **CPU**：限制进程的CPU使用率。
- **CPUAcct**：统计CGroups中进程的CPU使用情况。
- **Cpuset**：为进程分配特定的CPU节点或内存节点。
- **Memory**：限制进程的内存使用量。
- **Blkio**：限制进程的块设备I/O。
- **Devices**：控制进程对设备的访问。
- **Net_cls**：标记CGroups中进程的网络数据包，以便使用tc模块进行流量控制。
- **Freezer**：挂起或恢复CGroups中的进程。
- **Ns**：使不同CGroups下的进程使用不同的命名空间。

1.4 CGroups的相互关系

CGroups内部各组件之间的关系明确：
1. 新建层级时，所有任务自动成为该层级根CGroup的成员。
2. 每个子系统最多只能附加到一个层级。
3. 一个层级可以附加多个子系统。
4. 一个任务可以是多个CGroup的成员，但这些CGroup必须属于不同的层级。
5. 子任务创建时，默认继承其父任务的CGroup，但可以随后调整至不同的CGroup。

二、CGroups的工作原理

2.1 资源超限判断及应对措施

以内存子系统为例，当进程请求更多内存时，系统会检查当前CGroup的内存使用情况。如果超过了预设的限额，系统将拒绝内存请求，并可能触发OOM杀手机制。

三、CGroups的结构体分析

CGroups通过一系列结构体来实现其功能，主要结构体包括：
1. **Task Struct**：每个进程都有一个task_struct结构体，其中包含了与CGroups相关的指针。
2. **Css_set**：存储了与进程相关的CGroups信息，每个CGroup可以被多个进程共享。
3. **Cgroup Subsys State**：每个子系统都有一个cgroup_subsys_state结构体，存储了进程与特定子系统相关的信息。
4. **CGroup**：定义了CGroup的基本属性，如层级关系、子系统信息等。
5. **Cg_cgroup_link**：作为中间结构，连接CGroup和css_set，实现多对多的关系。

四、CGroups与css_set的多对多关系

由于一个进程可以同时属于多个CGroup，而这些CGroup不在同一层级，因此需要通过cg_cgroup_link结构来维护这种多对多的关系。

五、CGroups文件系统实现

CGroups通过VFS（虚拟文件系统）实现文件系统接口，用户可以通过文件系统操作来管理CGroups。CGroups文件系统的实现涉及到了文件系统类型定义、超级块操作等关键步骤。

六、Docker中的CGroups应用

Docker利用CGroups来限制容器的资源使用，例如通过--cpus选项指定容器可以使用的CPU数量，或通过--cpuset-cpus选项固定容器使用的特定CPU。这些设置有助于在多租户环境中合理分配资源，避免资源争抢。

七、Docker、LXC和CGroups的关系

Docker、LXC和CGroups之间存在密切的联系。CGroups作为基础技术，提供了资源管理和隔离的能力；LXC在此基础上增加了命名空间等高级功能，形成了轻量级的容器解决方案；而Docker进一步封装了LXC，提供了更易于使用的容器管理平台，支持快速部署和扩展应用。