cgroup V1和V2的原理和区别

(备注: 不显示声明就是基于V1版本来讲解的)

• 1 什么是 cgroups
  
• 2 为什么我们需要 cgroups
  
• 3 crgoups 是如何实现的
  
• 4 如何使用 cgroups
  
• 5 `cgroup V2`版本有什么不一样
  
• 6 总结
  

1 什么是 cgroups

1.1 基本概念

cgroups机制是用来限制一个进程或者多个进程的资源。

概念:

1. Subsystem(子系统): 每种可以控制的资源都被定义成一个子系统，比如CPU子系统，Memory子系统。
2. Control Group(控制组): cgroup是用来对一个subsystem(子系统)或者多个子系统的资源进行控制。
3. Hierarchy(层级): Control group使用层次结构 (Tree) 对资源做划分。参考下图:

每个层级都会有一个根节点, 子节点是根节点的比重划分。

关系:

1. 一个子系统最多附加到一个层级（Hierarchy）上。
2. 一个层级(Hierarchy)可以附加多个子系统。

1.2 进程和cgroup的关系

一个进程限制内存和CPU资源，就会绑定到CPU cgroup和Memory cgroup的节点上，CPU cgroup 节点和Memory cgroup节点属于两个不同的层级（Hierarchy）。进程和cgroup 节点是多对多的关系，因为一个进程涉及多个子系统，每个子系统可能属于不同的层次结构(Hierarchy)。

如图:

上图P代表进程，因为多个进程可能共享相同的资源，所以会抽象出一个CSS_SET，每个进程会属于一个CSS_SET 链表中，同一个CSS_SET下的进程都被其管理。一个CSS_SET关联多个cgroup节点，也就是关联多个子系统的资源控制，那么CSS_SET和cgroup节点就是多对多的关系。

参考下 CSS_SET 结构定义:

#ifdef CONFIG_CGROUPS
    /* Control Group info protected by css_set_lock */
    struct css_set __rcu *cgroups; 关联的cgroup 节点
    /* cg_list protected by css_set_lXock and tsk->alloc_lock */
    struct list_head cg_list; // 关联所有的进程
#endif

2 为什么我们需要 cgroups

我们希望能够细粒度的控制资源，我们可以为一个系统的不同用户提供不同的资源使用量，比如一个学校的校园服务器，老师用户可以使用15%的资源，学生用户可以使用5%的资源。我们可以用 cgroups 机制做到。

3 crgoups 是如何实现的

3.1 cgroups 数据结构

• 每个进程都会指向一个 CSS_SET 数据结构。（上文进程和cgroups关系已经提供过）
  参考源码:

struct task_struct { //进程的数据结构
...
#ifdef CONFIG_CGROUPS
    /* Control Group info protected by css_set_lock */
    struct css_set __rcu *cgroups; 关联的cgroup 节点
    /* cg_list protected by css_set_lXock and tsk->alloc_lock */
    struct list_head cg_list; // 关联所有的进程
#endif
...
}

• 一个 CSS_SET关联多个cgroup_subsys_state对象，cgroup_subsys_state指向一个cgroup子系统。所以进程和cgroup是不直接关联的，需要通过cgroup_subsys_state对象确定属于哪个层级，属于哪个cgroup节点。
  参考下CSS_SET源码:
  
• 
• 一个 cgroup hierarchy(层次）其实是一个文件系统, 可以挂载在用户空间查看和操作。
  
• 我们可以查看、绑定任何一个cgroup节点下的所有进程Id(PID)。
  

• 实现原理: 通过进程的fork和退出，从 CSS_SET attach 或者 detach 进程。

3.2 cgroups文件系统

上面我们了解到进程和cgroup的关系，那么在用户空间内的进程是如何使用cgroup功能的呢？

cgroup通过VFS文件系统将功能暴露给用户，用户创建一些文件，写入一些参数即可使用，那么用户使用crgoup功能会创建哪些文件？

文件如下:

1. tasks文件: 列举绑定到某个cgroup的所有进程ID（PID）.
2. cgroup.procs文件: 列举一个cgroup节点下的所有线程组ID.
3. notify_on_releaseflag文件：填 0或1，表示是否在cgroup中最后一个task退出时通知运行release agent，默认情况下是 0，表示不运行。
4. release_agent文件： 指定 release agent执行脚本的文件路径（该文件在最顶层cgroup目录中存在），在这个脚本通常用于自动化umount无用的cgroup
5. 每个子系统也会创建一些特有的文件。

3.3 什么是 VFS 文件系统

VFS是一个内核抽象层，能够隐藏具体文件系统的实现细节，从而给用户态进程提供一套统一的 API 接口。VFS 使用了一种通用文件系统的设计，具体的文件系统只要实现了 VFS 的设计接口，就能够注册到 VFS 中，从而使内核可以读写这种文件系统。 这很像面向对象设计中的抽象类与子类之间的关系，抽象类负责对外接口的设计，子类负责具体的实现。其实，VFS本身就是用c语言实现的一套面向对象的接口。

3.4 clone_children标志是干什么的

这个标志只会影响 cpuset子系统，如果这个标志在 cgroup 中开启，一个新的cpuset子系统cgroup节点 的配置会继承它的父级cgroup节点配置。

4 如何使用 cgroups

我们创建一个cgroup，使用到cpuset这个cgroup子系统，可以按照下面的步骤:

1. mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
2. mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset
3. mount -t cgroup -ocpuset cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset
4. 通过创建和写入新的配置到/sys/fs/cgroup/cpuset虚拟文件系统，创建新的cgroup
5. 启动一个父进程任务
6. 得到进程PID，写入到 /sys/fs/cgroup/cpuset的tasks文件中
7. fork，exec或者clone父进程任务。

举个例子，我们可以创建一个cgroup，命名为Charlie，包含CPU资源2到3核，memory节点为1，操作如下:

mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset
mount -t cgroup cpuset -ocpuset /sys/fs/cgroup/cpuset
cd /sys/fs/cgroup/cpuset
mkdir Charlie
cd Charlie
echo 2-3 > cpuset.cpus
echo 1 > cpuset.mems
echo $$ > tasks
## 查看cgroup信息
sh
# sh是进入当前cgroup
cat /proc/self/cgroup

默认只有root具有cgroup的操作权限。

5 cgroup V2版本有什么不一样

不同于v1版本，cgroup v2版本只有一个层级 Hierarchy(层级)。

cgroup v2的层级可以通过下面的命令进行挂载:

# mount -t cgroup2 none $MOUNT_POINT

cgroupv2文件系统有一个根cgroup，以0x63677270数字来标识，所有支持v2版本的子系统控制器会自动绑定到 v2的唯一层级上并绑定到根cgroup。没有使用cgroup v2版本的进程，也可以绑定到v1版本的层级上，保证了前后版本的兼容性。

在v2版本中，因为只有一个层级，所有进程只绑定到cgroup的叶子节点。

如图:

节点说明:

1. 父节点开启的子系统控制器控制到儿子节点，比如A节点开启了memory controller，那么C节点``cgroup就可以控制进程的memory。
   
2. 叶子节点不能控制开启哪些子系统的controller，因为叶子节点关联进程Id。所以非叶子节点不能控制进程的使用资源。
   

cgroup v2的cgroup目录下文件说明:

• cgroup.procs文件，用来关联 进程Id。这个文件在V1版本使用列举线程组Id的。
• cgroup.controllers文件(只读)和cgroup.subtree_control文件是用来控制 子cgroup节点可以使用的 子系统控制器。
• tasks文件用来关联进程信息，只有叶子节点有此文件。

5.1 为什么这么改造？

v1版本为了灵活一个进程可能绑定多个层级(Hierarchy)，但是通常是每个层级对应一个子系统，多层级就显得没有必要。所以一个层级包含所有的子系统就比较简单容易管理。

5.2 线程模式

cgroup v2版本支持线程模式，将 threaded 写入到cgroup.type就会开启Thread模式。当开始线程模式后，一个进程的所有线程属于同一个cgroup，会采用Tree结构进行管理。

6 总结

通过对 cgroup的学习，大致了解Linux crgoup的数据结构，v2版本层级结构的优化和支持线程模式的功能。