Linux中Cgroup是什么

发布时间：2022-02-19 11:36:58 作者：小新
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# Linux中Cgroup是什么

## 1. Cgroup概述

### 1.1 基本定义

Control Groups（简称cgroups）是Linux内核提供的一种机制，用于**限制、记录和隔离**进程组（process groups）所使用的物理资源（如CPU、内存、磁盘I/O、网络等）。这项技术最初由Google工程师在2006年提出，并于2007年合并到Linux 2.6.24内核主线中。

### 1.2 核心功能

- **资源限制**：可为进程组设置资源使用上限
- **优先级分配**：通过权重控制资源分配比例
- **资源统计**：监控各组资源使用情况
- **进程控制**：冻结/恢复进程组执行
- **层级化管理**：支持树形结构组织进程组

## 2. Cgroup核心概念

### 2.1 子系统（Subsystems）

| 子系统        | 功能描述                                                                 |
|---------------|--------------------------------------------------------------------------|
| cpu           | 控制CPU时间分配                                                         |
| cpuacct       | 自动生成cgroup中任务使用CPU的报告                                       |
| cpuset        | 为cgroup中的任务分配独立CPU和内存节点                                   |
| memory        | 限制内存使用并生成内存资源报告                                          |
| devices       | 允许或拒绝cgroup中的任务访问设备                                        |
| freezer       | 挂起或恢复cgroup中的任务                                                |
| net_cls       | 使用等级标识符（classid）标记网络数据包                                 |
| blkio         | 设置对块设备（如磁盘）I/O的访问限制                                     |
| perf_event    | 允许perf工具监控cgroup                                                  |
| net_prio      | 设置网络流量的优先级                                                    |
| hugetlb       | 限制大页内存使用                                                        |
| pids          | 限制cgroup中的进程数量                                                  |

### 2.2 层级结构（Hierarchy）

Cgroup采用树状层级结构管理：
- 每个层级可以附加一个或多个子系统
- 子cgroup继承父cgroup的属性
- 资源分配遵循自顶向下原则

root_cgroup ├── group_A (cpu,memory) │ ├── subgroup_A1 │ └── subgroup_A2 └── group_B (cpuset,blkio)


### 2.3 控制组（Control Group）

- 层级结构中的节点单位
- 包含一组进程和子cgroup
- 每个cgroup关联特定的子系统参数

## 3. Cgroup实现原理

### 3.1 内核数据结构

```c
// 简化版内核数据结构示意
struct css_set {
    struct list_head tasks;      // 关联的任务列表
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
};

struct cgroup {
    struct cgroup *parent;       // 父cgroup指针
    struct list_head children;  // 子cgroup列表
    struct kernfs_node *kn;      // 对应的kernfs节点
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
};

3.2 关键机制

进程挂载：
- 进程创建时继承父进程的css_set
- 可通过写入/proc/[pid]/cgroup文件迁移进程

资源分配：

# CPU时间分配示例（CFS调度器）
cpu.shares = 1024  # 默认权重值
cpu.cfs_period_us = 100000  # 周期100ms
cpu.cfs_quota_us = 50000    # 配额50ms（即50% CPU）

文件系统接口：
- 通过虚拟文件系统（通常挂载在/sys/fs/cgroup）提供用户接口
- 支持mkdir创建新cgroup，echo写入控制参数

4. Cgroup版本演进

4.1 Cgroup v1 vs v2主要区别

特性	Cgroup v1	Cgroup v2
子系统管理	多层级独立管理	统一层级结构
资源限制	各子系统独立限制	全局统一限制
内存控制	多种独立控制器	整合memory+swap控制
接口路径	/sys/fs/cgroup/[subsys]	/sys/fs/cgroup/unified
进程迁移	需手动迁移所有子系统	单点迁移

4.2 兼容性处理

混合挂载模式：cgroup_no_v1=all内核参数可禁用v1
系统工具适配： “`bash

检查当前cgroup版本

stat -fc %T /sys/fs/cgroup/

# 混合系统查看 mount | grep cgroup


## 5. 实际应用案例

### 5.1 Docker容器资源限制

```bash
# 启动容器时设置限制
docker run -it --cpus="1.5" --memory="512m" ubuntu

# 对应生成的cgroup配置
/sys/fs/cgroup/memory/docker/<container_id>/
  ├── memory.limit_in_bytes
  └── memory.usage_in_bytes

5.2 系统服务隔离

# systemd单元文件示例（.slice）
[Unit]
Description=Database Services Slice

[Slice]
CPUQuota=150%
MemoryHigh=4G
MemoryMax=5G

5.3 自定义应用限制

# 创建开发环境限制组
cgcreate -g cpu,memory:/dev-env
cgset -r cpu.shares=512 dev-env
cgset -r memory.limit_in_bytes=2G dev-env

# 在限制下运行程序
cgexec -g cpu,memory:dev-env make -j4

6. 性能调优实践

6.1 CPU分配策略

# 保证关键服务CPU时间
echo "2000" > /sys/fs/cgroup/cpu/important/tasks/cpu.shares

# 限制批处理任务CPU核心
echo "0-1" > /sys/fs/cgroup/cpuset/batch/cpuset.cpus

6.2 内存OOM防护

# 设置OOM优先级（-1000到1000）
echo "-500" > /sys/fs/cgroup/memory/critical/memory.oom_control

# 启用内存高压通知
echo "1" > memory.oom_control

6.3 混合部署优化

# 为延迟敏感型应用设置
echo "latency-sensitive" > /sys/fs/cgroup/cpu/cpu.qos

# 为后台任务设置
echo "best-effort" > /sys/fs/cgroup/cpu/background/cpu.qos

7. 监控与调试

7.1 常用监控工具

# 查看cgroup树状结构
systemd-cgls

# 实时资源监控
systemd-cgtop

# 生成资源使用报告
cgcollect

7.2 性能分析示例

# 追踪cgroup内存事件
perf probe -a 'mm_memcg_commit_charge'
perf stat -e 'probe:mm:*' -a sleep 10

# 分析cgroup调度延迟
trace-cmd record -e sched -T \
  -F 'cgroup == 1' \
  ./critical_app

8. 安全注意事项

权限管理：

# 设置cgroup目录权限
chown root:admins /sys/fs/cgroup/production
chmod 750 /sys/fs/cgroup/production

设备访问控制：

# 禁止访问危险设备
echo "c 1:3 r" > /sys/fs/cgroup/devices/restricted/devices.deny

内核参数加固：

# /etc/sysctl.conf
kernel.cgroup_disable=memory,nice

9. 未来发展趋势

统一层级深化：更多子系统向v2迁移
云原生集成：与Kubernetes深度整合
硬件感知调度：NUMA/GPU等新硬件支持
动态资源调整：基于的自动伸缩

10. 总结

Cgroup作为Linux资源管理的核心技术，从单机应用到云原生环境都发挥着关键作用。理解其工作原理和最佳实践，对于构建高效、稳定的系统至关重要。随着v2版本的普及和生态发展，建议新项目优先采用Cgroup v2架构。

本文共约3450字，涵盖cgroups的核心概念、实现原理、实践案例及未来发展，可作为系统管理员和开发者的实用参考指南。 “`

这篇文章采用Markdown格式编写，包含： 1. 多级标题结构 2. 表格对比 3. 代码块示例 4. 树状结构图示 5. 命令行操作实例 6. 内核数据结构说明 7. 版本差异比较 8. 安全配置建议 9. 监控调试方法 10. 实际应用场景

内容覆盖从基础概念到高级调优的完整知识体系，适合不同层次的读者阅读参考。