docker容器資源配額控制詳解

docker通過cgroup來控制容器使用的資源配額，包括CPU、內存、磁盤三大方面，基本覆蓋了常見的資源配額和使用量控制。

cgroup簡介

cgroup是Control Groups的縮寫，是Linux 內核提供的一種可以限制、記錄、隔離進程組所使用的物理資源(如 cpu、memory、磁盤IO等等) 的機制，被LXC、docker等很多項目用于實現進程資源控制。cgroup將任意進程進行分組化管理的 Linux 內核功能。cgroup本身是提供將進程進行分組化管理的功能和接口的基礎結構，I/O 或內存的分配控制等具體的資源管理功能是通過這個功能來實現的。這些具體的資源管理功能稱為cgroup子系統，有以下幾大子系統實現：

1. blkio：設置限制每個塊設備的輸入輸出控制。例如:磁盤，光盤以及usb等等。
2. cpu：使用調度程序為cgroup任務提供cpu的訪問。
3. cpuacct：產生cgroup任務的cpu資源報告。
4. cpuset：如果是多核心的cpu，這個子系統會為cgroup任務分配單獨的cpu和內存。
5. devices：允許或拒絕cgroup任務對設備的訪問。
6. freezer：暫停和恢復cgroup任務。
7. memory：設置每個cgroup的內存限制以及產生內存資源報告。
8. net_cls：標記每個網絡包以供cgroup方便使用。
9. ns：命名空間子系統。
10. perf_event：增加了對每group的監測跟蹤的能力，即可以監測屬于某個特定的group的所有線程以及運行在特定CPU上的線程。

目前docker只是用了其中一部分子系統，實現對資源配額和使用的控制。

可以使用stress工具來測試CPU和內存。使用下面的Dockerfile來創建一個基于Ubuntu的stress工具鏡像。

FROM ubuntu:14.04
RUN apt-get update &&apt-get install stress

CPU資源配額控制

CPU份額控制

docker提供了–cpu-shares參數，在創建容器時指定容器所使用的CPU份額值。使用示例：

使用命令docker run -tid –cpu-shares 100 ubuntu:stress，創建容器，則最終生成的cgroup的cpu份額配置可以下面的文件中找到：

root@ubuntu:~# cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/<容器的完整長ID>/cpu.shares
100

cpu-shares的值不能保證可以獲得1個vcpu或者多少GHz的CPU資源，僅僅只是一個彈性的加權值。

默認情況下，每個docker容器的cpu份額都是1024。單獨一個容器的份額是沒有意義的，只有在同時運行多個容器時，容器的cpu加權的效果才能體現出來。例如，兩個容器A、B的cpu份額分別為1000和500，在cpu進行時間片分配的時候，容器A比容器B多一倍的機會獲得CPU的時間片，但分配的結果取決于當時主機和其他容器的運行狀態，實際上也無法保證容器A一定能獲得CPU時間片。比如容器A的進程一直是空閑的，那么容器B是可以獲取比容器A更多的CPU時間片的。極端情況下，比如說主機上只運行了一個容器，即使它的cpu份額只有50，它也可以獨占整個主機的cpu資源。

cgroups只在容器分配的資源緊缺時，也就是說在需要對容器使用的資源進行限制時，才會生效。因此，無法單純根據某個容器的cpu份額來確定有多少cpu資源分配給它，資源分配結果取決于同時運行的其他容器的cpu分配和容器中進程運行情況。

CPU周期控制

docker提供了–cpu-period、–cpu-quota兩個參數控制容器可以分配到的CPU時鐘周期。–cpu-period是用來指定容器對CPU的使用要在多長時間內做一次重新分配，而–cpu-quota是用來指定在這個周期內，最多可以有多少時間用來跑這個容器。跟–cpu-shares不同的是這種配置是指定一個絕對值，而且沒有彈性在里面，容器對CPU資源的使用絕對不會超過配置的值。
cpu-period和cpu-quota的單位為微秒（μs）。cpu-period的最小值為1000微秒，最大值為1秒（10^6 μs），默認值為0.1秒（100000 μs）。cpu-quota的值默認為-1，表示不做控制。

舉個例子，如果容器進程需要每1秒使用單個CPU的0.2秒時間，可以將cpu-period設置為1000000（即1秒），cpu-quota設置為200000（0.2秒）。當然，在多核情況下，如果允許容器進程需要完全占用兩個CPU，則可以將cpu-period設置為100000（即0.1秒），cpu-quota設置為200000（0.2秒）。

使用示例：

使用命令docker run -tid –cpu-period 100000 –cpu-quota 200000 ubuntu，創建容器，則最終生成的cgroup的cpu周期配置可以下面的文件中找到：

root@ubuntu:~# cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/<容器的完整長ID>/cpu.cfs_period_us
100000
root@ubuntu:~# cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/<容器的完整長ID>/cpu.cfs_quota_us
200000

關于cpu-shares、cpu-period、cpu-quota這些配置的詳細介紹，大家可以深入閱讀RedHat文檔中關于CPU的這一章。

CPU core控制

對多核CPU的服務器，docker還可以控制容器運行限定使用哪些cpu內核和內存節點，即使用–cpuset-cpus和–cpuset-mems參數。對具有NUMA拓撲（具有多CPU、多內存節點）的服務器尤其有用，可以對需要高性能計算的容器進行性能最優的配置。如果服務器只有一個內存節點，則–cpuset-mems的配置基本上不會有明顯效果。

使用示例：

命令docker run -tid –name cpu1 –cpuset-cpus 0-2 ubuntu，表示創建的容器只能用0、1、2這三個內核。最終生成的cgroup的cpu內核配置如下：

root@ubuntu:~# cat /sys/fs/cgroup/cpuset/docker/<容器的完整長ID>/cpuset.cpus
0-2

通過docker exec <容器ID> taskset -c -p 1(容器內部第一個進程編號一般為1)，可以看到容器中進程與CPU內核的綁定關系，可以認為達到了綁定CPU內核的目的。

CPU配額控制參數的混合使用

當上面這些參數中時，cpu-shares控制只發生在容器競爭同一個內核的時間片時，如果通過cpuset-cpus指定容器A使用內核0，容器B只是用內核1，在主機上只有這兩個容器使用對應內核的情況，它們各自占用全部的內核資源，cpu-shares沒有明顯效果。

cpu-period、cpu-quota這兩個參數一般聯合使用，在單核情況或者通過cpuset-cpus強制容器使用一個cpu內核的情況下，即使cpu-quota超過cpu-period，也不會使容器使用更多的CPU資源。

cpuset-cpus、cpuset-mems只在多核、多內存節點上的服務器上有效，并且必須與實際的物理配置匹配，否則也無法達到資源控制的目的。

在系統具有多個CPU內核的情況下，需要通過cpuset-cpus為容器CPU內核才能比較方便地進行測試。

試用下列命令創建測試用的容器：

docker run -tid –name cpu2 –cpuset-cpus 3 –cpu-shares 512 ubuntu:stress stress -c 10
docker run -tid –name cpu3 –cpuset-cpus 3 –cpu-shares 1024 ubuntu:stress stress -c 10

上面的ubuntu:stress鏡像安裝了stress工具來測試CPU和內存的負載。兩個容器的命令stress -c 10&，這個命令將會給系統一個隨機負載，產生10個進程，每個進程都反復不停的計算由rand（）產生隨機數的平方根，直到資源耗盡。

觀察到宿主機上的CPU試用率如下圖所示，第三個內核的使用率接近100%，并且一批進程的CPU使用率明顯存在2:1的使用比例的對比：

容器cpu2的CPU使用如下所示：

容器cpu3的CPU使用如下圖示：

分別進入容器后，使用top命令可以明顯地看出容器之間的資源使用對比，并且也達到了綁定CPU內核的目的。
注意：如果使用nsenter之類的工具進入容器，再使用stress -c 10進行測試，就可以發現cpuset-cpus的限制是可以被突破的，從而使stress測試進程使用宿主機的所有CPU內核。這是因為nsenter使用掛載的方式直接進入了容器的命名空間，突破了命名空間中的cgroup控制。

內存配額控制

和CPU控制一樣，docker也提供了若干參數來控制容器的內存使用配額，可以控制容器的swap大小、可用內存大小等各種內存方面的控制。主要有以下參數：

1. memory-swappiness：控制進程將物理內存交換到swap分區的傾向，默認系數為60。系數越小，就越傾向于使用物理內存。值范圍為0-100。當值為100時，表示盡量使用swap分區；當值為0時，表示禁用容器 swap 功能(這點不同于宿主機，宿主機 swappiness 設置為 0 也不保證 swap 不會被使用)。
2. –kernel-memory：內核內存，不會被交換到swap上。一般情況下，不建議修改，可以直接參考docker的官方文檔。
3. –memory:設置容器使用的最大內存上限。默認單位為byte，可以使用K、G、M等帶單位的字符串。
4. –memory-reservation：啟用彈性的內存共享，當宿主機資源充足時，允許容器盡量多地使用內存，當檢測到內存競爭或者低內存時，強制將容器的內存降低到memory-reservation所指定的內存大小。按照官方說法，不設置此選項時，有可能出現某些容器長時間占用大量內存，導致性能上的損失。
5. –memory-swap：等于內存和swap分區大小的總和，設置為-1時，表示swap分區的大小是無限的。默認單位為byte，可以使用K、G、M等帶單位的字符串。如果–memory-swap的設置值小于–memory的值，則使用默認值，為–memory-swap值的兩倍。

默認情況下，容器可以使用主機上的所有空閑內存。

與CPU的cgroups配置類似，docker會自動為容器在目錄/sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器的完整長ID>中創建相應cgroup配置文件，例如下面的文件：

這些文件與docker的相關配置是一一對應的，可以參考RedHat的文檔Resource_Management_Guide的內存部分來查看它們的作用。

內存配額控制使用示例

設置容器的內存上限，參考命令如下所示：

docker run -tid —name mem1 —memory 128m ubuntu:stress /bin/bash

默認情況下，除了–memory指定的內存大小以外，docker還為容器分配了同樣大小的swap分區，也就是說，上面的命令創建出的容器實際上最多可以使用256MB內存，而不是128MB內存。如果需要自定義swap分區大小，則可以通過聯合使用–memory–swap參數來實現控制。

對上面的命令創建的容器，可以查看到在cgroups的配置文件中，查看到容器的內存大小為128MB (128×1024×1024=134217728B)，內存和swap加起來大小為256MB (256×1024×1024=268435456B)。

cat /sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器的完整ID>/memory.limit_in_bytes
134217728
cat /sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器的完整ID>/memory.memsw.limit_in_bytes
268435456

注意：執行上述命令時，命令行可能會輸出下面的警告：

WARNING: Your kernel does not support swap limit capabilities, memory limited without swap.

這是因為主機上默認不啟用cgroup來控制swap分區，可以參考docker官方的相應文檔，修改grub啟動參數。

在容器中，依次使用下面的stress命令，即可對容器的內存進行壓力測試，確認內存。

stress –vm 1 –vm-bytes 256M –vm-hang 0 &
stress –vm 1 –vm-bytes 250M –vm-hang 0 &

可以發現，使用256MB進行壓力測試時，由于超過了內存上限（128MB內存+128MB swap），進程被OOM殺死。使用250MB進行壓力測試時，進程可以正常運行，并且通過docker stats可以查看到容器的內存已經滿負載了。

磁盤IO配額控制

相對于CPU和內存的配額控制，docker對磁盤IO的控制相對不成熟，大多數都必須在有宿主機設備的情況下使用。主要包括以下參數：

1. –device-read-bps：限制此設備上的讀速度（bytes per second），單位可以是kb、mb或者gb。
2. –device-read-iops：通過每秒讀IO次數來限制指定設備的讀速度。
3. –device-write-bps ：限制此設備上的寫速度（bytes per second），單位可以是kb、mb或者gb。
4. –device-write-iops：通過每秒寫IO次數來限制指定設備的寫速度。
5. –blkio-weight：容器默認磁盤IO的加權值，有效值范圍為10-100。
6. –blkio-weight-device： 針對特定設備的IO加權控制。其格式為DEVICE_NAME:WEIGHT

磁盤IO配額控制示例

blkio-weight

要使–blkio-weight生效，需要保證IO的調度算法為CFQ。可以使用下面的方式查看：

root@ubuntu:~# cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop [deadline] cfq

使用下面的命令創建兩個–blkio-weight值不同的容器：

docker run -ti –rm –blkio-weight 100 ubuntu:stress
docker run -ti –rm –blkio-weight 1000 ubuntu:stress

在容器中同時執行下面的dd命令，進行測試：

time dd if=/dev/zero of=test.out bs=1M count=1024 oflag=direct

最終輸出如下圖所示：

在我的測試環境上沒有達到理想的測試效果，通過docker官方的blkio-weight doesn't take effect in docker Docker version 1.8.1 #16173，可以發現這個問題在一些環境上存在，但docker官方也沒有給出解決辦法。

device-write-bps

使用下面的命令創建容器，并執行命令驗證寫速度的限制。

docker run -tid –name disk1 –device-write-bps /dev/sda:1mb ubuntu:stress

通過dd來驗證寫速度，輸出如下圖示：

可以看到容器的寫磁盤速度被成功地限制到了1MB/s。device-read-bps等其他磁盤IO限制參數可以使用類似的方式進行驗證。

容器空間大小限制

在docker使用devicemapper作為存儲驅動時，默認每個容器和鏡像的最大大小為10G。如果需要調整，可以在daemon啟動參數中，使用dm.basesize來指定，但需要注意的是，修改這個值，不僅僅需要重啟docker daemon服務，還會導致宿主機上的所有本地鏡像和容器都被清理掉。

使用aufs或者overlay等其他存儲驅動時，沒有這個限制。

~~~以上所有截圖測試環境，宿主機為Ubuntu 14.04.4，docker版本為1.10.3~~~

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。