Cgroup限制CPU、IO、内存以及linux系统中的调度方法

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一、CPU
1、0核利用
思路： 0核是必须要保护的，否则各种系统命令、喂狗都可能出问题；
       设想是把某个实例，比如SD，绑定到0核，并通过cgroup功能限制CPU负载，比如最多使用80%的0核CPU；
问题： cgroup被裁掉了，需要安装； 需要分析和测试cgroup是否会影响调度顺序；

2、其它核
思路：其它实例，绑定到除0核和dpdk核之外的所有核，也就是允许在这些核上迁移，由操作系统调度；
问题：按照以前的经验，操作系统调度进行核迁移是不会很快的，在高负载的时候容易瞬间CPU冲顶导致呼损；
          
v4用法：
service cgconfig start     #开启cgroups服务
chkconfig cgconfig on    #开启启动

v5用法
systemctl start  cgconfig.service
systemctl enable cgconfig.service
systemctl is-enable cgconfig.service

v5系统安装cgroup，安装libcgroup-0.41-13.el7.x86_64.rpm //v5系统已经安装
                                        libcgroup-devel-0.41-13.el7.x86_64.rpm
                                        libcgroup-tools-0.41-13.el7.x86_64.rpm
                      
https://segmentfault.com/a/1190000008323952

cgroup.procs：只读文件，显示当前cgroup下的所有进程

CFS完全公平调度策略
cpu.cfs_period_us：用来配置时间周期长度，单位是us，取值范围1000~1000000：1ms ~ 1s
cpu.cfs_quota_us：用来配置当前cgroup在设置的周期长度内所能使用的CPU时间数，单位us，最小值为1000：1ms； t > 1000
tasks中所有任务总CPU占用率 = cpu.cfs_quota_us/cpu.cfs_period_us
只有这两个文件同时有效，表示cfs限制开启，此时才能将cfs调度策略的进程写进tasks中，否则参数无效echo: write error: Invalid argument

RT实时调度策略
cpu.rt_period_us ：统计CPU使用时间的周期，单位us，最小值为1 ，t > 1
cpu.rt_runtime_us：周期内允许任务使用单个CPU核的时间，如果系统中有多个核，则可以使用核倍数的时间，单位us，最小值为0
tasks中所有任务总CPU占用率 = cpu.rt_runtime_us*CPU核数 / cpu.rt_period_us
只有这两个文件同时有效，表示rt限制开启，此时才能将rt调度策略的进程写进tasks中，

如果同时配置RT和CFS有效，A（RT类型线程总和）、B（CFS类型线程总和）两者分别工作，
对tasks中的对应的线程属性进行限制
假设RT和CFS均设置CPU占用率为80%，那么A、B均占用80%，
两者加起来即160%，如果tasks中的线程共核，那么: A + B = 100%
至于A、B的具体值，由于A为RT调度优先抢占CPU，通常是A=80%，B=20%

两种调度策略均通过配置cgconfig.conf生效

cpu.shares
cpu.stat
notify_on_release
release_agent
tasks

-rw-r--r-- 1 root root 0 Aug 12 17:09 cpu.cfs_period_us
-rw-r--r-- 1 root root 0 Aug 12 17:09 cpu.cfs_quota_us
-rw-r--r-- 1 root root 0 Aug 12 17:09 cpu.rt_period_us
-rw-r--r-- 1 root root 0 Aug 12 17:09 cpu.rt_runtime_us

v4环境：
service sbcd restart ===不要存在/cgroup/cpu/路径否则service cgconfig restart失败导致单板重启

v5环境：
当系统

遗留问题：
1、如何配置cgroup，v5系统设置开机启动，无法正常启动
答：已经解决，修改cgconfig.conf需要重启单板一次才能生效

2、实时调度的cpu.rt_period_us 、cpu.rt_runtime_us参数粒度选取；
   粒度太大，直观感觉占用cpu过大，系统命令响应变慢
答：写一个测试程序（两种调度方式），
    a、观察在不同粒度下执行相同操作（1w、10w、100w次循环）所需时间
    b、观察程序的调度次数
     
4、调度方式发生改变
   背景：发现会修改SD下线程的调度方式 5号（mspe），9号（mpe）机均出现
         Q1:sbc中线程的调度策略,有什么决定
   原因：sd继承shell进程，将任务默认写进/sys/fs/cgroup/cpu/user.slice
              user.slice分组中rt=0，导致SD中设置线程调度属性失败（sched_setscheduler接口返回 -1）
   解决方法：1、裁剪或订制user.slice、system.slice，经试验user.slice.rt + system.slice.rt < 90%可行
                          进一步论证：user.slice.rt + system.slice.rt +test.rt < 100
                     2、在代码中实现，先进行写文件设置，后进行调度属性设置，实验可行

5、通过配置cgconfig.conf ，/cgconfig.d/test.conf，可以解决调度策略发生改变问题
   Q1：systemctl restart cgconfig.service 命令失败

测试问题收尾：

1、实时调度的cpu.rt_period_us 、cpu.rt_runtime_us参数粒度选取；
   粒度太大，直观感觉占用cpu过大，系统命令响应变慢
解决方案:写一个测试程序（cfs调度，系统命令也cfs调度方式）
         1、观察程序的调度次数
sbc占用80%,linux_endless占用20%

粒度小cpu.rt_period_us=100000 cpu.rt_runtime_us=20000        
粒度大cpu.rt_period_us=1000000 cpu.rt_runtime_us=200000

相同时间：
粒度大sbc调用次数 > 粒度小sbc调用次数
粒度大linux_endless调用次数 < 粒度小linux_endless调用次数

因此，选择粒度小的cpu参数，要优先保证操作系统调度
#总核数 = 物理CPU个数 * 每个物理CPU的核数
#总逻辑CPU数 = 总核数 * 超线程数

 #查看物理CPU个数
 cat /proc/cpuinfo | grep "physical id" |sort | uniq |wc -l
 
 #查看每个物理CPU中的core的个数
 cat /proc/cpuinfo | grep "cpu cores" | uniq
 
 #查看逻辑CPU个数
 cat /proc/cpuinfo | grep "processor" | wc -l
 
 #查看超线程是否打开判断
  cat /proc/cpuinfo | grep "sibling" | uniq ，cat /proc/cpuinfo | grep "cpu cores" | uniq
  如果"siblings"和"cpu cores"一致，则说明不支持超线程，或者超线程未打开；
  如果"siblings"是"cpu cores"的两倍，则说明支持超线程，并且超线程已打开

 #查看CPU是32还是64位运行模式
  getconf LONG_BIT 
  执行结果：64 
  注意：如果结果是32，代表是运行在32位模式下，但不代表CPU不支持64bit。4.CPU是32还是64位运行模式

注意：如果结果是32，代表是运行在32位模式下，但不代表CPU不支持64bit。
 一般情况：逻辑CPU的个数 = 物理CPU个数 * 每个cpu的核数。如果不相等的话，则表示服务器的CPU支持超线程技术

1、物理CPU：实际Server中插槽上的CPU个数
物理cpu数量，可以数不重复的 physical id 有几个：cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l

2、cpu核数：一块CPU上面能处理数据的芯片组的数量、比如现在的i5 760,是双核心四线程的CPU、而 i5 2250 是四核心四线程的CPU
   cpu核数查看方法：cat /proc/cpuinfo | grep "cpu cores" | uniq

3、逻辑CPU：/proc/cpuinfo 这个文件是用来存储cpu硬件信息的（信息内容分别列出了processor 0 – n 的规格。而这里的n是逻辑cpu数量）
  一个cpu可以有多核，加上intel的超线程技术(HT), 可以在逻辑上再分一倍数量的cpu core出来，所以：
   cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l
   逻辑CPU数量 = 物理cpu数量 * cpu cores 这个规格值 * 2(如果支持并开启ht)  
   注意：Linux下top查看的CPU也是逻辑CPU个数
   

查看每个逻辑cpu当前的占用率 top ,然后按下数字 1；
top -H -p xxxx //看xxx进程下的线程CPU占用率
perf top -Cx // 看具体函数的在CPUx占用率
绑定进程到CPU核上：taskset -cp  cpu_id pid
查看进程位于哪个cpu核上：taskset -p pid
查看进程的调度策略：ps -eo class,cmd 
                      TS  SCHED_OTHER
                      FF  SCHED_FIFO
                      RR  SCHED_RR
                      B   SCHED_BATCH
                      ISO SCHED_ISO
            
            
systemctl list-unit-files | grep enabled //v5系统执行服务命令systemctl
查看挂载cgroup
lssubsys -am

手工挂载cpu
mount -t cgroup -o cpu,cpuacct cpu /cgroup/cpu

[root@localhost cgroup]# systemctl status cgconfig.service
● cgconfig.service - Control Group configuration service
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/cgconfig.service; disabled; vendor preset: disabled)
   Active: failed (Result: exit-code) since Thu 2018-08-09 10:22:51 UTC; 19min ago
  Process: 4076 ExecStart=/usr/sbin/cgconfigparser -l /etc/cgconfig.conf -L /etc/cgconfig.d -s 1664 (code=exited, status=101)
 Main PID: 4076 (code=exited, status=101)
Aug 09 10:22:51 localhost.localdomain systemd[1]: Starting Control Group configuration service...
Aug 09 10:22:51 localhost.localdomain cgconfigparser[4076]: /usr/sbin/cgconfigparser; error loading /etc/cgconfig.conf: Cgroup mounting failed
Aug 09 10:22:51 localhost.localdomain systemd[1]: cgconfig.service: main process exited, code=exited, status=101/n/a
Aug 09 10:22:51 localhost.localdomain cgconfigparser[4076]: Error: cannot mount cpu,cpuacct to /cgroup/cpu: Device or resource busy
Aug 09 10:22:51 localhost.localdomain systemd[1]: Failed to start Control Group configuration service.
Aug 09 10:22:51 localhost.localdomain systemd[1]: Unit cgconfig.service entered failed state.
Aug 09 10:22:51 localhost.localdomain systemd[1]: cgconfig.service failed.
[root@localhost cgroup]# cgclear

ps -ef | grep sleep  # 找出 sleep 1000 的pid, 这里假设是 1234
chrt -p 1234         # 可以查看 pid=1234 的进程的 调度策略, 输入如下:
      pid 1234's current scheduling policy: SCHED_OTHER
      pid 1234's current scheduling priority: 0
chrt -p -f 10 1234   # 修改调度策略为 SCHED_FIFO, 并且优先级为10
chrt -p 1234         # 再次查看调度策略
      pid 1234's current scheduling policy: SCHED_FIFO
      pid 1234's current scheduling priority: 10
      
chrt -p -r 10 4572  # 修改调度策略为 SCHED_RR, 并且优先级为10
chrt -p  4572
pid 4572's current scheduling policy: SCHED_RR
pid 4572 的当前调度优先级：10
      
chrt -p -o 0  1234 在修改为SCHED_OTHER      

输入chrt 列出可选参数

获取系统实时进程调度配置
sysctl -n kernel.sched_rt_period_us  #实时进程调度的单位CPU时间 1 秒
sysctl -n kernel.sched_rt_runtime_us #实时进程在 1 秒中实际占用的CPU时间, 0.95秒

设置实时进程占用CPU时间

上面的默认设置中, 实时进程占用 95% 的CPU时间. 如果觉得占用的太多或太少, 都是可以调整的.比如:
sysctl -w kernel.sched_rt_runtime_us=900000    # 设置实时进程每1秒中只占0.9秒的CPU时间
kernel.sched_rt_runtime_us = 900000
sysctl -n kernel.sched_rt_runtime_us 
900000
 
cgroup 中的设置
整体设置是针对整个系统的, 我们也可以通过 cgroup 来对一组进程的CPU资源进行控制.
如果想在 cgroup 中对 sched_rt_period_us 和 sched_rt_runtime_us 进行控制, 需要内核编译选项 CONFIG_RT_GROUP_SCHED=y

cat /boot/config-`uname -r`
查看 CONFIG_RT_GROUP_SCHED 是否启用

/*其他模块*/

1、blkio模块、相关参数及其含义：

1.1. 权重比例

blkio.weight
设定默认使用的权重比例，取值范围：100—1000。此值会被blkio.weight_device值覆盖。
echo 500 > blkio.weight

blkio.weight_device
设定指定设备的使用的权重比例，取值范围：100—1000。此值会覆盖blkio.weight设定值。该值的格式为：major:minor weight，即，主设备号：次设备号 权重。例如：设定硬盘sda的访问权重为500.

ps：
# ll /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Aug 15 15:42 /dev/sda
主设备号为8，次设备号为0.
echo 8:0 500 > blkio.weight_device //测试发现此设备填非0，写失败

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches //清文件系统缓存，很重要，否则可能看到io的读取速率为0

cgexec -g "blkio:test1" dd bs=1M count=4096 if=file1 of=/dev/null

cgexec -g "blkio:test2" dd bs=1M count=4096 if=file2 of=/dev/null //注意：读取设备不能相同，否则无法看见速率差异

1.2. I/O 使用上限

blkio.throttle.read_bps_device / blkio.throttle.write_bps_device
指定 cgroup 中某设备每秒钟读/写数据的字节上限。其格式为 major:minor bytes_per_second。

blkio.throttle.read_iops_device / blkio.throttle.write_iops_device
指定 cgroup 中某设备每秒钟可以执行的读/写请求数上限。其格式为major:minor operations_per_second。

测试：

1、echo '8:0 1000000' > blkio.throttle.read_bps_device  //设置分组读取数据为1M/s

2、echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches //清文件系统缓存，很重要

3、dd if=/dev/sda of=/dev/null &

4、iotop -p  cmd2_pid //查看进程读取磁盘速率

5、将cmd2_pid加入task分组查看速率变化

//C代码只需要调用系统接口read读取磁盘设备即可

1.3. 统计参数
        blkio.reset_stats：向该文件中写入一个整数，可以重置该 cgroup 中的统计计数。
        blkio.time          ：统计 cgroup 对具体设备的 I/O 访问时间。单位为毫秒(ms)
        blkio.sectors      ：统计 cgroup 对具体设备的扇区读写数。

blkio.io_serviced：统计 cgroup 对具体设备的读写操作数。内容有四个字段：major, minor,operation (read, write, sync, or async)和 number（表示操作的次数）。

blkio.io_service_bytes：统计 cgroup对具体设备的读写字节数。内容有四个字段：major, minor, operation (read, write, sync, or async)和 bytes（表示传输的字节数）。

blkio.io_service_time：统计 cgroup 对指定设备的 I/O 操作发送请求和完成请求之间的时间。条目有四个字段：major, minor, operation 和 time，其中 time 的单位为纳秒(ns)。

blkio.io_wait_time：统计 cgroup 对具体设备的 I/O 操作在队列调度中等待的时间。内容有四个字段：major,minor, operation 和 time，其中 time 的单位为纳秒(ns)，这意味着对于ssd硬盘也是有意义的。

blkio.io_merged：统计 cgroup 将 BIOS 请求合并到 I/O 操作请求的次数。内容有两个字段：number和 operation。

blkio.io_queued：统计I/O 操作排队的请求数。内容有两个字段：number 和 operation(read, write, sync, or async)。

blkio.throttle.io_serviced：统计 cgroup 对具体设备的读写操作数。blkio.io_serviced 与blkio.throttle.io_serviced的不同之处在于，CFQ 调度请求队列时，前者不会更新。
内容有四个字段：(read, write, sync, or async)和 number（表示操作的次数）。

blkio.throttle.io_service_bytes：统计 cgroup对具体设备的读写字节数。blkio.io_service_bytes 与blkio.throttle.io_service_bytes 的不同之处在于，CFQ 调度请求队列时，前者不会更新。内容有四个字段：(read, write, sync, or async)和 bytes（表示传输的字节数）。

2、memory模块、相关参数及其含义：
 2.1、参数概要：
cgroup.event_control #用于eventfd的接口
memory.usage_in_bytes #显示当前已用的内存
memory.limit_in_bytes #设置/显示当前限制的内存额度
memory.failcnt #显示内存使用量达到限制值的次数
memory.max_usage_in_bytes #历史内存最大使用量
memory.soft_limit_in_bytes #设置/显示当前限制的内存软额度
memory.stat #显示当前cgroup的内存使用情况
memory.use_hierarchy #设置/显示是否将子cgroup的内存使用情况统计到当前cgroup里面
memory.force_empty #触发系统立即尽可能的回收当前cgroup中可以回收的内存
memory.pressure_level #设置内存压力的通知事件，配合cgroup.event_control一起使用
memory.swappiness #设置和显示当前的swappiness
memory.move_charge_at_immigrate #设置当进程移动到其他cgroup中时，它所占用的内存是否也随着移动过去
memory.oom_control #设置/显示oom controls相关的配置
memory.numa_stat #显示numa相关的内存

2.2、属性限制

memory.force_empty ：当向memory.force_empty文件写入0时（echo 0 > memory.force_empty），将会立即触发系统尽可能的回收该cgroup占用的内存。该功能主要使用场景是移除cgroup前（cgroup中没有进程），先执行该命令，可以尽可能的回收该cgropu占用的内存，这样迁移内存的占用数据到父cgroup或者root cgroup时会快些。

memory.swappiness ：该文件的值默认和全局的swappiness（/proc/sys/vm/swappiness）一样，修改该文件只对当前cgroup生效，其功能和全局的swappiness一样

有一点和全局的swappiness不同，那就是如果这个文件被设置成0，就算系统配置的有交换空间，当前cgroup也不会使用交换空间。

memory.use_hierarchy:该文件内容为0时，表示不使用继承，即父子cgroup之间没有关系；当该文件内容为1时，子cgroup所占用的内存会统计到所有祖先cgroup中。

如果该文件内容为1，当一个cgroup内存吃紧时，会触发系统回收它以及它所有子孙cgroup的内存。
注意: 当该cgroup下面有子cgroup或者父cgroup已经将该文件设置成了1，那么当前cgroup中的该文件就不能被修改。

memory.soft_limit_in_bytes:有了hard limit（memory.limit_in_bytes），为什么还要soft limit呢？hard limit是一个硬性标准，绝对不能超过这个值，而soft limit可以被超越，既然能被超越，要这个配置还有啥用？先看看它的特点当系统内存充裕时，soft limit不起任何作用当系统内存吃紧时，系统会尽量的将cgroup的内存限制在soft limit值之下（内核会尽量，但不100%保证）

从它的特点可以看出，它的作用主要发生在系统内存吃紧时，如果没有soft limit，那么所有的cgroup一起竞争内存资源，占用内存多的cgroup不会让着内存占用少的cgroup，这样就会出现某些cgroup内存饥饿的情况。如果配置了soft limit，那么当系统内存吃紧时，系统会让超过soft limit的cgroup释放出超过soft limit的那部分内存（有可能更多），这样其它cgroup就有了更多的机会分配到内存。所以，这其实是系统内存不足时的一种妥协机制，给次等重要的进程设置soft limit，当系统内存吃紧时，把机会让给其它重要的进程。

注意： 当系统内存吃紧且cgroup达到soft limit时，系统为了把当前cgroup的内存使用量控制在soft limit下，在收到当前cgroup新的内存分配请求时，就会触发回收内存操作，所以一旦到达这个状态，就会频繁的触发对当前cgroup的内存回收操作，会严重影响当前cgroup的性能。

memory.oom_control：内存超限之后的 oom 行为控制。

        查看oom killer设置，不能用vi编辑，只能用echo，但是根路径下的memory.oom_control无法设置

[root@localhost test]# echo 1 > memory.oom_control
[root@localhost test]# cat memory.oom_control
oom_kill_disable 1
under_oom 0 //只读字段

 
       关闭oom killer：

设置 oom_kill_disable 为 1。（0 为开启）当触发oom时，但是开关关闭时，对应的线程仍然无法调度，出现D状态

cgroup.event_control：实现OOM的通知，当OOM发生时，可以收到相关的事件

 memory.move_charge_at_immigrate：当一个进程从一个cgroup移动到另一个cgroup时，默认情况下，该进程已经占用的内存还是统计在原来的cgroup里面，不会占用新cgroup的配额，但新分配的内存会统计到新的cgroup中（包括swap out到交换空间后再swap in到物理内存中的部分）。我们可以通过设置memory.move_charge_at_immigrate让进程所占用的内存随着进程的迁移一起迁移到新的cgroup中。

方法：

enable： echo 1 > memory.move_charge_at_immigrate

disable：echo 0 > memory.move_charge_at_immigrate
注意: a、就算设置为1，但如果不是thread group的leader，这个task占用的内存也不能被迁移过去。换句话说，如果以线程为单位进行迁移，必须是进程的第一个线程，如果以进程为单位进行                  迁移，就没有这个问题。
               当memory.move_charge_at_immigrate为0时，就算当前cgroup中里面的进程都已经移动到其它cgropu中去了，由于进程已经占用的内存没有被统计过去，当前cgroup有可能还占用很                多内存，当移除该cgroup时，占用的内存需要统计到谁头上呢？答案是依赖memory.use_hierarchy的值，如果该值为0，将会统计到root cgroup里；如果值为1，将统计到它的父cgroup               里面。

b、当前进程分组时，如果进程使用的内存(memory.usage_in_bytes)大于目标分组的内存限制（memory.limit_in_bytes），则迁移失败

[root@localhost memory]# echo 5750 > test_1/tasks
[root@localhost memory]# cat test_1/memory.usage_in_bytes
106496
[root@localhost memory]# cat test_2/memory.usage_in_bytes
0
[root@localhost memory]# cd test_2
[root@localhost test_2]# cat memory.limit_in_bytes
9223372036854771712
[root@localhost test_2]# echo 10240 > memory.limit_in_bytes
[root@localhost test_2]# echo 5750 > tasks
-bash: echo: 写错误: 无法分配内存
[root@localhost test_2]# echo 1024000 > memory.limit_in_bytes
[root@localhost test_2]# echo 5750 > tasks
[root@localhost test_2]# cat memory.usage_in_bytes
106496

c、当进程正在申请内存时，迁移分组，已经申请内存统计不会迁移

2.3、内存限制

memory.memsw.limit_in_bytes：内存＋swap空间使用的总量限制。
memory.limit_in_bytes：内存使用量限制。

memory.memsw.limit_in_bytes 必须大于或等于 memory.limit_in_byte。
要解除内存限制，把对应的值设为 -1 即可。

这种方式限制进程内存占用会有个风险。当进程试图占用的内存超过限制时，会触发 oom ，导致进程直接被杀，从而造成可用性问题。即使关闭控制组的 oom killer，在内存不足时，进程虽然不会被杀，但是会长时间进入 D 状态（等待系统调用的不可中断休眠），并被放到 OOM-waitqueue 等待队列中， 仍然导致服务不可用。因此，用 memory.limit_in_bytes 或 memory.memsw.limit_in_bytes 限制进程内存占用仅应当作为一个保险，避免在进程异常时耗尽系统资源。如，预期一组进程最多会消耗 1G 内存，那么可以设置为 1.5G 。这样在发生内存泄露等异常情况时，可以避免造成更严重问题。

注意：如果当前分组下已经存在task任务，修改memory.limit_in_bytes的值必须大于memory.usage_in_bytes的值，否则修改失败

[root@localhost test_2]# cat memory.usage_in_bytes
106496
[root@localhost test_2]# echo 106494 > memory.limit_in_bytes
-bash: echo: 写错误: 设备或资源忙
[root@localhost test_2]# echo 106498 > memory.limit_in_bytes
[root@localhost test_2]# cat memory.limit_in_bytes
106496 //数值不一定精确写入
[root@localhost test_2]#

2.4、内存资源审计

memory.memsw.usage_in_bytes:当前 cgroup 的内存＋ swap 的使用量。

memory.usage_in_bytes:当前 cgroup 的内存使用量。

memory.max_usage_in_bytes:cgroup 最大的内存＋ swap 的使用量。

memory.memsw.max_usage_in_bytes:cgroup 的最大内存使用量。

感谢各位的阅读，以上就是“Cgroup限制CPU、IO、内存以及linux系统中的调度方法”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对Cgroup限制CPU、IO、内存以及linux系统中的调度方法这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是创新互联，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！

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