Docker通过Cgroup 资源配置

一、Cgroup资源配置方法

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。

这些具体的资源管理功能称为Cgroup子系统，有以下几大子系统实现:

blkio	设置限制每个块设备的输入输出控制，例如：磁盘、光盘、usb等等
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	如果是多核心的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的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
perf_event	增加了对每个group的检测跟踪能力，可以检测属于某个特定的group的所有线程以及运行在特定CPU上的线程

二、使用stress工具测试CPU 和内存

使用Dockerfile来创建一个基于Centos的stress工具镜像。

mkdir /opt/stress
vim /opt/stress/Dockerfile

FROM centos:7
MAINTAINER li
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

cd /opt/stress/
docker build -t centos:stress .

1、权重 --cpu-shares

使用如下命令创建容器，命令中的- -cpu-shares参数值不能保证可以获得1个vcpu或者多少GHz的CPU资源，它仅是一个弹性的加权值。

docker run -itd --cpu-shares 100 centos:stress

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1000和500，在CPU进行时间片分配的时候，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。如果容器A的进程一直是空闲的，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50，它也可以独占整个主机的CPU资源。

先创建两个容器
容器产生10个子函数进程，设置cpu优先级为512
docker run -tid --name cpu512 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 10

容器产生10个子函数进程，设置cpu优先级为1024
docker run -tid --name cpu1024 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 10

动态查看容器信息
docker stats

2、CPU周期限制 --cpu-period、 --cpu-quota

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。

1、–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。
2、–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。
3、–cpu-quota是–cpu-period的倍数时，使用多个CPU

与–cpu-stress不同的是，这种配置是指一个绝对值，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（100000 us)。
cpu-quota的值默认为-1，表示不做控制。
cpu-period和cpu-quota参数一般联合使用。 

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)。

docker run -tid --cpu-period 100000 --cpu-quota 200000 centos:stress
docker exec -it 602299e4f013 bash
cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_period_us
100000
cat /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.cfs_quota_us
200000

3、CPU Core控制 --cpuset-spus

对多核 CPU 的服务器，Docker 还可以控制容器运行使用哪些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

docker run -tid --name cpu1 --cpuset-cpus 0-1 centos:stress

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;

通过下面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。

容器内部第一个进程号pid为1被绑定到指定CPU上运行
docker exec 容器ID taskset -c -p 1

三、CPU配额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只是用CPU内核1
在主机上只有这两个容器使用对应CPU内核的情况，它们各自占用全部的内核资源，cpu-shares 没有明显效果。
cpuset-cpus. cpuset-mems 参数只在多核、多内存节点上的服务器上有效，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内核才能方便地进行测试。

docker stop `docker ps -qa`
docker run -itd --name cpu3 --cpuset-cpus 0 --cpu-shares 512 centos:stress stress -c 1

docker run -itd --name cpu4 --cpuset-cpus 1 --cpu-shares 1024 centos:stress stress -c 1

四、内存限额

与操作系统类似，容器可使用的内存包括两部分：物理内存和Swap.
Docker通过下面两组参数来控制容器内存的使用量。

-m或–memory： 设置（物理）内存的使用限额，例如100M、 1024M.
–memory-swap： 设置内存+ swap的使用限额。
执行如”下命令允许该容器最多使用200M的内存和300M的swap

docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 280M

--vm 1：启动一个内存工作线程
--vm-bytes 280M：每个线程分配280M内存

默认情况下，容器可以使用主机上的所有空闲内存。
与CPU的cgroups配置类似，Docker会自动为容器在目录/sys/fs/cgroup/memory/docker/<容器的完整长ID>中创建相应cgroup配置文件

如果让工作线程分配的内存超过300M，分配的内存超过限额，stress线程报错，容器退出。

docker run -it -m 200M --memory-swap=300M progrium/stress --vm 1 --vm-bytes 310M

五、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–blkio-weight参数来改变容器block 10的优先级。
–blkio-weight与–cpu-shares类似，设置的是相对权重值，默认为500。
在下面的例子中，容器A读写磁盘的带宽是容器B的两倍。

docker run -it --name container_A --blkio-weight 600 centos:stress
cat /sys/fs/cgroup/blkio/blkio.weight

docker run -it --name container_B --blkio-weight 300 centos:stress
cat /sys/fs/cgroup/blikio.weight

1、bps和iops的限制

bps是byte per second，每秒读写的数据量(吞吐量)。
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5MB/s.

docker run -it --device-write-bps /dev/sda:5MB centos:stress

dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct    //可以按ctrl+c中断查看
#-------------------------输出内容---------------------------------
^C18+0 records in
18+0 records out
18874368 bytes (19 MB) copied, 3.60306 s, 5.2 MB/s

上图说明：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 lO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，如果不限速，结果如下。

不限速 速度会增加
docker run -it centos:stress
dd if=/dev/zero of=test bs=1M count=1024 oflag=direct