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控制组

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2023-12-01

简介

这是 linux 内核揭密 的新一章的第一部分。你可以根据这部分的标题猜测 - 这一部分将涉及 Linux 内核中的 控制组 或 cgroups 机制。

Cgroups 是由 Linux 内核提供的一种机制，它允许我们分配诸如处理器时间、每组进程的数量、每个 cgroup 的内存大小，或者针对一个或一组进程的上述资源的组合。Cgroups 是按照层级结构组织的，这种机制类似于通常的进程，他们也是层级结构，并且子 cgroups 会继承其上级的一些属性。但实际上他们还是有区别的。cgroups 和进程之间的主要区别在于，多个不同层级的 cgroup 可以同时存在，而进程树则是单一的。同时存在的多个不同层级的 cgroup 并不是任意的，因为每个 cgroup 层级都要附加到一组 cgroup "子系统"中。

每个 cgroup 子系统代表一种资源，如针对某个 cgroup 的处理器时间或者 pid 的数量，也叫进程数。Linux 内核提供对以下 12 种 cgroup 子系统的支持：

  • cpuset - 为 cgroup 内的任务分配独立的处理器和内存节点；
  • cpu - 使用调度程序对 cgroup 内的任务提供 CPU 资源的访问；
  • cpuacct - 生成 cgroup 中所有任务的处理器使用情况报告；
  • io - 限制对块设备的读写操作;
  • memory - 限制 cgroup 中的一组任务的内存使用;
  • devices - 限制 cgroup 中的一组任务访问设备；
  • freezer - 允许 cgroup 中的一组任务挂起/恢复；
  • net_cls - 允许对 cgroup 中的任务产生的网络数据包进行标记；
  • net_prio - 针对 cgroup 中的每个网络接口提供一种动态修改网络流量优先级的方法；
  • perf_event - 支持访问 cgroup 中的性能事件;
  • hugetlb - 为 cgroup 开启对大页内存的支持;
  • pid - 限制 cgroup 中的进程数量。

每个 cgroup 子系统是否被支持均与相关配置选项有关。例如，cpuset 子系统应该通过 CONFIG_CPUSETS 内核配置选项启用，io 子系统通过 CONFIG_BLK_CGROUP 内核配置选项等。所有这些内核配置选项都可以在 General setup → Control Group support 菜单里找到：

你可以通过 proc 虚拟文件系统在计算机上查看已经启用的 cgroup：

$ cat /proc/cgroups 
#subsys_name	hierarchy	num_cgroups	enabled
cpuset	8	1	1
cpu	7	66	1
cpuacct	7	66	1
blkio	11	66	1
memory	9	94	1
devices	6	66	1
freezer	2	1	1
net_cls	4	1	1
perf_event	3	1	1
net_prio	4	1	1
hugetlb	10	1	1
pids	5	69	1

或者通过 sysfs 虚拟文件系统查看:

$ ls -l /sys/fs/cgroup/
total 0
dr-xr-xr-x 5 root root  0 Dec  2 22:37 blkio
lrwxrwxrwx 1 root root 11 Dec  2 22:37 cpu -> cpu,cpuacct
lrwxrwxrwx 1 root root 11 Dec  2 22:37 cpuacct -> cpu,cpuacct
dr-xr-xr-x 5 root root  0 Dec  2 22:37 cpu,cpuacct
dr-xr-xr-x 2 root root  0 Dec  2 22:37 cpuset
dr-xr-xr-x 5 root root  0 Dec  2 22:37 devices
dr-xr-xr-x 2 root root  0 Dec  2 22:37 freezer
dr-xr-xr-x 2 root root  0 Dec  2 22:37 hugetlb
dr-xr-xr-x 5 root root  0 Dec  2 22:37 memory
lrwxrwxrwx 1 root root 16 Dec  2 22:37 net_cls -> net_cls,net_prio
dr-xr-xr-x 2 root root  0 Dec  2 22:37 net_cls,net_prio
lrwxrwxrwx 1 root root 16 Dec  2 22:37 net_prio -> net_cls,net_prio
dr-xr-xr-x 2 root root  0 Dec  2 22:37 perf_event
dr-xr-xr-x 5 root root  0 Dec  2 22:37 pids
dr-xr-xr-x 5 root root  0 Dec  2 22:37 systemd

正如你所猜测的那样，cgroup 机制不只是针对 Linux 内核的需求而创建的，更多的是用户空间层面的需求。要使用 cgroup ，需要先创建它。我们可以通过两种方式来创建。

第一种方法是在 /sys/fs/cgroup 目录下的任意子系统中创建子目录，并将任务的 pid 添加到 tasks 文件中，这个文件在我们创建子目录后会自动创建。

第二种方法是使用 libcgroup 库提供的工具集来创建/销毁/管理 cgroups(在 Fedora 中是 libcgroup-tools)。

我们来看一个简单的例子。下面的 bash 脚本会持续把一行信息输出到代表当前进程的控制终端的设备：

#!/bin/bash

while :
do
    echo "print line" > /dev/tty
    sleep 5
done

因此，如果我们运行这个脚本，将看到下面的结果：

$ sudo chmod +x cgroup_test_script.sh
~$ ./cgroup_test_script.sh 
print line
print line
print line
...
...
...

现在让我们进入系统中 cgroupfs 的挂载点。前面说到，它位于 /sys/fs/cgroup 目录，但你可以将它挂载到任何你希望的地方。

$ cd /sys/fs/cgroup

接着我们进入 devices 子目录，这个子目录表示允许或拒绝 cgroup 中的任务访问的设备：

# cd devices

然后在这里创建 cgroup_test_group 目录：

# mkdir cgroup_test_group

创建 cgroup_test_group 目录之后，会在目录下生成以下文件：

/sys/fs/cgroup/devices/cgroup_test_group$ ls -l
total 0
-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  3 22:55 cgroup.clone_children
-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  3 22:55 cgroup.procs
--w------- 1 root root 0 Dec  3 22:55 devices.allow
--w------- 1 root root 0 Dec  3 22:55 devices.deny
-r--r--r-- 1 root root 0 Dec  3 22:55 devices.list
-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  3 22:55 notify_on_release
-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  3 22:55 tasks

现在我们重点关注 tasks 和 devices.deny 这两个文件。第一个文件 tasks 包含的是要附加到 cgroup_test_group cgroup 的 pid，第二个文件 devices.deny 包含的是拒绝访问的设备列表。新创建的 cgroup 默认对设备没有任何访问限制。为了禁止访问某个设备(在我们的示例中是 /dev/tty)，我们应该向 devices.deny 写入下面这行：

# echo "c 5:0 w" > devices.deny

我们来对这行进行详细解读。第一个字符 c 表示一种设备类型，我们示例中的 /dev/tty 是“字符设备”，我们可以通过 ls 命令的输出对此进行验证：

~$ ls -l /dev/tty
crw-rw-rw- 1 root tty 5, 0 Dec  3 22:48 /dev/tty

可以看到权限列表中的第一个字符是 c。第二部分的 5:0 是设备的主次设备号，你也可以在 ls 命令的输出中看到。最后的字符 w 表示禁止 cgroups 中的任务对指定的设备执行写入操作。现在让我们再次运行 cgroup_test_script.sh 脚本：

~$ ./cgroup_test_script.sh 
print line
print line
print line
...
...

没有任何效果。再把这个进程的 pid 加到我们 cgroup 的 devices/tasks 文件：

# echo $(pidof -x cgroup_test_script.sh) > /sys/fs/cgroup/devices/cgroup_test_group/tasks

现在，脚本的运行结果和预期的一样：

~$ ./cgroup_test_script.sh 
print line
print line
print line
print line
print line
print line
./cgroup_test_script.sh: line 5: /dev/tty: Operation not permitted

在你运行 docker 容器的时候也会出现类似的情况：

~$ docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                    NAMES
fa2d2085cd1c        mariadb:10          "docker-entrypoint..."   12 days ago         Up 4 minutes        0.0.0.0:3306->3306/tcp   mysql-work

~$ cat /sys/fs/cgroup/devices/docker/fa2d2085cd1c8d797002c77387d2061f56fefb470892f140d0dc511bd4d9bb61/tasks | head -3
5501
5584
5585
...
...
...

因此，在 docker 容器的启动过程中，docker 会为这个容器中的进程创建一个 cgroup：

$ docker exec -it mysql-work /bin/bash
$ top
 PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND                                                                                   1 mysql     20   0  963996 101268  15744 S   0.0  0.6   0:00.46 mysqld                                                                                  71 root      20   0   20248   3028   2732 S   0.0  0.0   0:00.01 bash                                                                                    77 root      20   0   21948   2424   2056 R   0.0  0.0   0:00.00 top

我们可以在宿主机上看到这个 cgroup：

$ systemd-cgls

Control group /:
-.slice
├─docker
│ └─fa2d2085cd1c8d797002c77387d2061f56fefb470892f140d0dc511bd4d9bb61
│   ├─5501 mysqld
│   └─6404 /bin/bash

现在我们了解了一些关于 cgroup 的机制，如何手动使用它，以及这个机制的用途。是时候深入 Linux 内核源码来了解这个机制的实现了。

cgroup 的早期初始化

现在，在我们刚刚看到关于 Linux 内核的 cgroup 机制的一些理论之后，我们可以开始深入到 Linux 的内核源码，以便更深入的了解这种机制。 与往常一样，我们将从 cgroup 的初始化开始。在 Linux 内核中，cgroups 的初始化分为两个部分：早期和晚期。在这部分我们只考虑“早期”的部分，“晚期”的部分会在下一部分考虑。

Cgroups 的早期初始化是在 Linux 内核的早期初始化期间从 init/main.c 中调用：

cgroup_init_early();

函数开始的。这个函数定义在源文件 kernel/cgroup.c 中，从下面两个局部变量的定义开始：

int __init cgroup_init_early(void)
{
	static struct cgroup_sb_opts __initdata opts;
	struct cgroup_subsys *ss;
    ...
    ...
    ...
}

cgroup_sb_opts 结构体的定义也可以在这个源文件中找到：

struct cgroup_sb_opts {
	u16 subsys_mask;
	unsigned int flags;
	char *release_agent;
	bool cpuset_clone_children;
	char *name;
	bool none;
};

用来表示 cgroupfs 的挂载选项。例如，我们可以使用 name= 选项创建指定名称的 cgroup 层级(本示例中以 my_cgrp 命名)，不附加到任何子系统：

$ mount -t cgroup -oname=my_cgrp,none /mnt/cgroups

第二个变量 - ss 是 cgroup_subsys 结构体，这个结构体定义在 include/linux/cgroup-defs.h 头文件中。你可以从这个结构体的名称中猜到，这个变量表示一个 cgroup 子系统。这个结构体包含多个字段和回调函数，如：

struct cgroup_subsys {
    int (*css_online)(struct cgroup_subsys_state *css);
    void (*css_offline)(struct cgroup_subsys_state *css);
    ...
    ...
    ...
    bool early_init:1;
    int id;
    const char *name;
    struct cgroup_root *root;
    ...
    ...
    ...
}

例如，css_online 和 css_offline 回调分别在 cgroup 成功完成所有分配之后和 cgroup 释放之前调用，early_init 标志位用来标记子系统是否要提前初始化，id 和 name 字段分别表示在 cgroup 中已注册的子系统的唯一标识和子系统的”名称“。最后的 root 字段指向 cgroup 层级结构的根。

当然，cgroup_subsys 结构体还有一些其他字段，比上面展示的要多，不过目前了解这么多已经够了。现在我们了解了与 cgroups 机制有关的重要结构体，让我们再回到 cgroup_init_early 函数。这个函数的主要目的是对一些子系统进行早期初始化。你可能已经猜到了，这些需要”早期“初始化的子系统的 cgroup_subsys->early_init 字段应该为 1。来看看哪些子系统可以提前初始化吧。

在两个局部变量定义之后，我们可以看到下面几行代码：

init_cgroup_root(&cgrp_dfl_root, &opts);
cgrp_dfl_root.cgrp.self.flags |= CSS_NO_REF;

这里我们可以看到 init_cgroup_root 函数的调用，它会使用缺省的层级结构进行初始化。接着我们在缺省的 cgroup 中设置 CSS_NO_REF 标志来禁止这个 css 的引用计数。cgrp_dfl_root 的定义也在这个文件中：

struct cgroup_root cgrp_dfl_root;

这里的 cgrp 字段是 cgroup 结构体，你也许已经猜到了，它表示一个 cgroup，cgroup 定义在 include/linux/cgroup-defs.h 头文件中。我们知道一个进程在 Linux 内核中是用 task_struct 结构体表示的， task_struct 并不包含直接访问这个任务所属的 cgroup 的链接，但是可以通过 task_struct 的 css_set 字段访问。这个 css_set 结构体拥有指向子系统状态数组的指针：

struct css_set {
    ...
    ...
    ....
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
    ...
    ...
    ...
}

通过 cgroup_subsys_state 结构体，一个进程可以找到其所属的 cgroup：

struct cgroup_subsys_state {
    ...
    ...
    ...
    struct cgroup *cgroup;
    ...
    ...
    ...
}

所以，cgroups 相关数据结构的整体情况如下：

+-------------+         +---------------------+    +------------->+---------------------+          +----------------+
| task_struct |         |       css_set       |    |              | cgroup_subsys_state |          |     cgroup     |
+-------------+         |                     |    |              +---------------------+          +----------------+
|             |         |                     |    |              |                     |          |     flags      |
|             |         |                     |    |              +---------------------+          |  cgroup.procs  |
|             |         |                     |    |              |        cgroup       |--------->|       id       |
|             |         |                     |    |              +---------------------+          |      ....      | 
|-------------+         |---------------------+----+                                               +----------------+
|   cgroups   | ------> | cgroup_subsys_state | array of cgroup_subsys_state
|-------------+         +---------------------+------------------>+---------------------+          +----------------+
|             |         |                     |                   | cgroup_subsys_state |          |      cgroup    |
+-------------+         +---------------------+                   +---------------------+          +----------------+
                                                                  |                     |          |      flags     |
                                                                  +---------------------+          |   cgroup.procs |
                                                                  |        cgroup       |--------->|        id      |
                                                                  +---------------------+          |       ....     |
                                                                  |    cgroup_subsys    |          +----------------+
                                                                  +---------------------+
                                                                             |
                                                                             |
                                                                             ↓
                                                                  +---------------------+
                                                                  |    cgroup_subsys    |
                                                                  +---------------------+
                                                                  |         id          |
                                                                  |        name         |
                                                                  |      css_online     |
                                                                  |      css_ofline     |
                                                                  |        attach       |
                                                                  |         ....        |
                                                                  +---------------------+

因此，init_cgroup_root 函数使用默认值设置 cgrp_dfl_root。接下来的工作是把初始化的 css_set 分配给 init_task，它表示系统中的第一个进程：

RCU_INIT_POINTER(init_task.cgroups, &init_css_set);

cgroup_init_early 函数里最后一件重要的任务是 early cgroups 的初始化。在这里，我们遍历所有已注册的子系统，给子系统分配一个唯一的标识号和名称，并且对标记为早期的子系统调用 cgroup_init_subsys 函数：

for_each_subsys(ss, i) {
		ss->id = i;
		ss->name = cgroup_subsys_name[i];

        if (ss->early_init)
			cgroup_init_subsys(ss, true);
}

这里的 for_each_subsys 是 kernel/cgroup.c 源文件中的一个宏定义，正好扩展成基于 cgroup_subsys 数组的 for 循环。这个数组的定义可以在该源文件中找到，它看起来有点不寻常：

#define SUBSYS(_x) [_x ## _cgrp_id] = &_x ## _cgrp_subsys,
    static struct cgroup_subsys *cgroup_subsys[] = {
        #include <linux/cgroup_subsys.h>
};
#undef SUBSYS

它被定义为 SUBSYS 宏，它接受一个参数(子系统名称)，并定义了 cgroup 子系统的 cgroup_subsys数组。另外，我们可以看到这个数组是使用 linux/cgroup_subsys.h 头文件的内容进行初始化。如果我们看一下这个头文件，就会发现一组具有给定子系统名称的 SUBSYS 宏：

#if IS_ENABLED(CONFIG_CPUSETS)
SUBSYS(cpuset)
#endif

#if IS_ENABLED(CONFIG_CGROUP_SCHED)
SUBSYS(cpu)
#endif
...
...
...

可以这样定义是因为第一个 SUBSYS 的宏定义后面的 #undef 语句。来看看 &_x ## _cgrp_subsys 表达式，在 C 语言的宏定义中，## 操作符连接左右两边的表达式，所以当我们把 cpuset、cpu 等参数传给 SUBSYS 宏时，其实是在定义 cpuset_cgrp_subsys、cp_cgrp_subsys。确实如此，在 kernel/cpuset.c 源文件中你可以看到这些结构体的定义：

struct cgroup_subsys cpuset_cgrp_subsys = {
    ...
    ...
    ...
	.early_init	= true,
};

因此，cgroup_init_early 函数中的最后一步是调用 cgroup_init_subsys 函数完成早期子系统的初始化，下面的早期子系统将被初始化：

  • cpuset;
  • cpu;
  • cpuacct.

cgroup_init_subsys 函数使用缺省值对指定的子系统进行初始化。比如，设置层级结构的根，使用 css_alloc 回调函数为指定的子系统分配空间，将一个子系统链接到一个已经存在的子系统，为初始进程分配子系统等。

至此，早期子系统就初始化结束了。

结束语

这是第一部分的结尾，它描述了 Linux 内核中 cgroup 机制的引入，我们讨论了与 cgroup 机制相关的一些理论和初始化步骤，在接下来的部分中，我们将继续深入讨论 cgroup 更实用的方面。

如果你有任何问题或建议，可以写评论给我，也可以在 twitter 上联系我。

请注意，英语不是我的第一语言，对于任何不便，我深表歉意。如果你发现任何错误，请给我发送一个 PR 到 linux-insides.

链接

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