Linux cgroup实践：资源隔离与控制的精要

# 1. Linux cgroup的基本概念与作用

## 1.1 cgroup简介

cgroup（control group）是Linux内核的一个功能，用于限制、记录和隔离进程组所使用的物理资源（如CPU、内存、磁盘I/O等）。它允许系统管理员动态地调整进程组对资源的使用限制，从而提高系统的性能和稳定性。

## 1.2 cgroup的作用

cgroup的主要作用体现在以下几个方面：

- **资源分配**：管理员可以为不同的进程组分配不同的资源配额。
- **性能监控**：提供实时资源使用情况的监控。
- **优先级调整**：在资源紧张时，对进程的执行优先级进行控制。

通过对进程和线程进行组织和管理，cgroup使得系统资源的分配更加高效和合理，是现代Linux系统中不可或缺的资源管理工具之一。接下来的章节，我们将深入探讨cgroup的核心组件和实践操作。

# 2. cgroup核心组件深入剖析

cgroup（控制组）是Linux内核提供的一种机制，用于限制、记录、隔离和影响进程组的资源使用情况。通过cgroup，系统管理员可以对一组进程进行资源分配（例如CPU时间、内存、磁盘I/O等），同时监控它们的资源使用情况，并且可以动态地调整这些资源限制。在本章节中，我们将深入分析cgroup的核心组件，帮助读者更好地理解和使用这一强大的Linux特性。

## 2.1 cgroup的层次结构和文件系统

### 2.1.1 cgroup的层级关系

cgroup以树状结构组织，每个节点代表一个cgroup，可以看作是一个资源控制单元。根cgroup位于树的底部，其子节点继承父节点的属性并可以添加或修改。这种层级关系使得资源控制可以非常灵活地按需分配。

### 2.1.2 cgroup文件系统的挂载与访问

cgroup作为一个虚拟文件系统被挂载到系统中，通常挂载在`/sys/fs/cgroup`目录下。通过这个文件系统，我们可以访问所有的cgroup及其相关属性。例如，我们可以通过写入特定文件来更改进程所属的cgroup或限制资源的使用。

# 挂载cgroup文件系统
mount -t cgroup cgroup /sys/fs/cgroup

# 创建一个新的cgroup目录
mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/my_cgroup

# 将某个进程移入我们刚创建的cgroup中
echo <pid> > /sys/fs/cgroup/cpu/my_cgroup/cgroup.procs

在上述示例中，首先挂载了cgroup文件系统，然后创建了一个名为`my_cgroup`的新目录，最后将进程`<pid>`分配到了这个目录所代表的cgroup中。

## 2.2 cgroup控制器与资源类型

### 2.2.1 常用的cgroup控制器介绍

cgroup包括多个控制器，每个控制器管理一种资源类型。常见的控制器如下：

- **cpu**：控制CPU时间分配。
- **cpuacct**：自动生成CPU资源使用报告。
- **cpuset**：分配CPU核心和内存节点到特定的cgroup。
- **memory**：限制cgroup内的内存使用。
- **blkio**：限制块设备I/O。

这些控制器可以单独使用，也可以联合使用，根据不同的需求组合。

### 2.2.2 各控制器对应的资源控制方法

每个控制器下都有一系列的文件，可以通过写入这些文件来控制资源分配。以`cpu`控制器为例，我们可以：

- `cpu.shares`：相对权重，用于分配CPU时间片。
- `cpu.cfs_period_us`和`cpu.cfs_quota_us`：限制在`cfs_period_us`周期内，进程可以使用CPU的时间上限（`cfs_quota_us`）。

# 设置cgroup的cpu.shares值
echo 1024 > /sys/fs/cgroup/cpu/my_cgroup/cpu.shares

# 设置cgroup的CPU周期和配额
echo 100000 > /sys/fs/cgroup/cpu/my_cgroup/cpu.cfs_period_us
echo 200000 > /sys/fs/cgroup/cpu/my_cgroup/cpu.cfs_quota_us

通过上述命令，我们为`my_cgroup`设置了CPU的权重为1024，并限制其在一个周期内最多使用200ms的CPU时间（如果周期设为100ms，则其使用率为200%）。

## 2.3 cgroup的限制与优先级设置

### 2.3.1 限制资源的使用

限制资源使用是cgroup的核心功能之一，通过为进程设置资源使用上限，确保系统的稳定性。限制可以涉及多个方面，包括但不限于CPU、内存、磁盘I/O等。例如，对于内存资源，可以设置`memory.limit_in_bytes`来限制cgroup的内存使用量。

### 2.3.2 调整任务的优先级

优先级的调整让系统在资源紧张时，能够按照预定的规则分配资源。`cpu.shares`是设置CPU优先级的重要参数，它决定了在资源不足时，各个cgroup可以得到多少CPU时间。

# 设置进程在CPU上的优先级
echo 512 > /sys/fs/cgroup/cpu/parent_cgroup/cpu.shares
echo 256 > /sys/fs/cgroup/cpu/child_cgroup/cpu.shares

在这个例子中，`parent_cgroup`的权重是`child_cgroup`的两倍，意味着`parent_cgroup`在使用CPU时会获得更多的资源。

通过本章节的介绍，我们对cgroup的核心组件有了一定的了解。下一章节将继续深入，探讨cgroup的实践操作与案例分析。

# 3. cgroup实践操作与案例分析

## 3.1 基于cgroup的资源隔离实践

在现代Linux系统中，资源管理是一个重要的环节，cgroup为我们提供了一种方法来限制、记录和隔离进程组使用的物理资源（如CPU、内存、磁盘I/O等）。在本节中，我们将探讨如何利用cgroup来实现CPU和内存资源的隔离与分配。

### 3.1.1 CPU资源的隔离与分配

Linux内核的cgroup提供了一个名为`cpuset`的子系统，它允许您为进程组分配CPU核心和内存节点。`cpuset`适用于管理在多核处理器上的并行应用程序。

#### 操作步骤

首先，创建一个新的cgroup，并将进程组分配到相应的`cpuset`：

1. 创建一个新的cgroup目录：

   mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/newgroup

2. 将新创建的cgroup挂载：

   mount -t cgroup -o cpuset cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset

3. 分配CPU核心到cgroup：

   echo 0-1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/newgroup/cpuset.cpus

上述命令将CPU0和CPU1分配给名为`newgroup`的cgroup。

#### 参数说明

- `/sys/fs/cgroup/cpuset/`：这是`cpuset` cgroup子系统挂载点。
- `cpuset.cpus`：这个文件用于定义分配给该cgroup的CPU核心集合。

#### 代码逻辑分析

在执行上述步骤后，所有分配到`newgroup`的进程将只能运行在CPU0和CPU1上。这在多核服务器上进行资源隔离时非常有用，可以避免进程之间的资源争抢，提高系统的稳定性。

### 3.1.2 内存资源的限制与隔离

`memory`子系统允许对cgroup内的进程使用的内存进行限制，比如设定最大内存使用量，控制内存回收行为等。

#### 操作步骤

1. 创建一个新的cgroup目录：

   mkdi