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适用范围 SUSE Linux Enterprise Desktop 15 SP5

9 内核控制组

 

内核控制组 (“cgroup”) 是一种内核功能，可用于指派和限制进程的硬件与系统资源。还能以层次树状结构组织进程。

9.1 概述

 

为每个进程刚好指派一个管理 cgroup。cgroup 在层次树状结构中按序列出。您可针对单个进程或针对层次树状结构中的整条分支设置资源限制，例如 CPU、内存、磁盘 I/O 或网络带宽用量。

在 SUSE Linux Enterprise Desktop 上，systemd 使用 cgroup 以分组（systemd 称之为切片）形式组织所有进程。systemd 还提供一个界面用于设置 cgroup 属性。

命令 systemd-cgls 显示层次树状结构。

内核 cgroup API 有两个版本：v1 和 v2。此外，可能有多个 cgroup 层次结构公开不同的 API。从众多可能的组合来看，有两种切实可行的选择：

  • 混合：不包含控制器的 v2 层次结构；控制器位于 v1 层次结构中

  • 统一：包含控制器的 v2 层次结构

当前的默认模式是混合模式（从 SLE SP3 开始）。这可以与需要混合模式的应用程序保持向后兼容。以下功能仅适用于统一 v2 层次结构：

  • 内存控制器：回收保护（又名为 memory.low）、memory.high、PSI（压力失速信息）

  • io 控制器：写回控制，新的控制策略

  • 将控制器委托给非特权用户（无根容器）

  • systemd 中的冻结器支持

  • 更方便地处理单个层次结构

您只能设置一种模式。

要启用统一控制组层次结构，请将 systemd.unified_cgroup_hierarchy=1 作为内核命令行参数追加到 GRUB 2 引导加载程序。（有关配置 GRUB 2 的更多细节，请参见第 18 章 “引导加载程序 GRUB 2”。）

9.2 资源统计

 

可以通过将进程组织到不同的 cgroup 来获取每个 cgroup 的资源消耗数据。

统计进程相对较小，但开销并非为零，它所造成的影响取决于工作负载。对一个单元激活统计也会对同一切片中的所有单元、该切片的所有父切片，以及包含在这些父切片中的单元隐式激活统计。

可以使用诸如 MemoryAccounting= 的指令为每个单元设置统计，或者在 /etc/systemd/system.conf 中使用 DefaultMemoryAccounting= 指令为所有单元全局设置统计。有关可用指令的详尽列表，请参见 man systemd.resource-control。

9.3 设置资源限制

 
注意
注意：隐式资源消耗

请注意，资源消耗隐式取决于工作负载的执行环境（例如，库/内核中数据结构的大小、实用程序的派生行为、计算效率）。因此，如果环境发生变化，建议您（重新）校准您的限制。

可以使用 systemctl set-property 命令设置 cgroup 的限制。语法是： 

# systemctl set-property [--runtime] NAME PROPERTY1=VALUE [PROPERTY2=VALUE]

配置的值会立即应用。或者，也使用 --runtime 选项，使新值在重引导后不会保留。

请将 NAME 替换为 systemd 服务、范围或切片名称。

有关完整的属性列表和更多细节，请参见 man systemd.resource-control。

9.4 使用 TasksMax 防止派生炸弹

 

systemd 支持为每个叶单元配置任务计数限制，或配置各个切片的聚合限制。上游 systemd 随附了用于限制每个单元中的任务数量的默认值（内核全局限制的 15%，运行 /usr/sbin/sysctl kernel.pid_max 可查看总限制）。每个用户的切片限制为内核限制的 33%。但是，对于 SLE，情况并非如此。

9.4.1 查找当前的默认 TasksMax 值

 

显然，在实践中，单一默认值并不能适用于所有用例。SUSE Linux Enterprise Desktop 随附了两个自定义配置，用于覆盖系统单元和用户切片的上游默认值，并将两者都设置为 infinity。/usr/lib/systemd/system.conf.d/__25-defaults-SLE.conf 包含以下行： 

[Manager]
DefaultTasksMax=infinity

/usr/lib/systemd/system/user-.slice.d/25-defaults-SLE.conf 包含以下行： 

[Slice]
TasksMax=infinity

使用 systemctl 校验 DefaultTasksMax 值： 

> systemctl show --property DefaultTasksMax
DefaultTasksMax=infinity

infinity 表示没有限制。并不要求一定要更改默认值，但设置一些限制可能有助于防止失控进程导致系统崩溃。

9.4.2 覆盖 DefaultTasksMax 值

 

通过创建新的覆盖文件 /etc/systemd/system.conf.d/90-system-tasksmax.conf 更改全局 DefaultTasksMax 值，并写入下面几行以便为每个系统单元设置新的默认任务数限制（256 个）： 

[Manager]
DefaultTasksMax=256

装载新设置，然后校验设置是否已更改： 

> sudo systemctl daemon-reload
> systemctl show --property DefaultTasksMax
DefaultTasksMax=256

根据您的需要调整此默认值。可根据需要在单个服务上设置不同的限制。本示例适用于 MariaDB。首先检查当前活动值： 

> systemctl status mariadb.service
  ● mariadb.service - MariaDB database server
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/mariadb.service; disabled; vendor preset>
   Active: active (running) since Tue 2020-05-26 14:15:03 PDT; 27min ago
     Docs: man:mysqld(8)
           https://mariadb.com/kb/en/library/systemd/
 Main PID: 11845 (mysqld)
   Status: "Taking your SQL requests now..."
    Tasks: 30 (limit: 256)
   CGroup: /system.slice/mariadb.service
           └─11845 /usr/sbin/mysqld --defaults-file=/etc/my.cnf --user=mysql

Tasks 行显示 MariaDB 中当前有 30 个任务正在运行，而默认上限为 256，这对于数据库而言并不足够。以下示例演示如何将 MariaDB 的限制提高至 8192。 

> sudo systemctl set-property mariadb.service TasksMax=8192
> systemctl status mariadb.service
● mariadb.service - MariaDB database server
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/mariadb.service; disabled; vendor preset: disab>
  Drop-In: /etc/systemd/system/mariadb.service.d
           └─50-TasksMax.conf
   Active: active (running) since Tue 2020-06-02 17:57:48 PDT; 7min ago
     Docs: man:mysqld(8)
           https://mariadb.com/kb/en/library/systemd/
  Process: 3446 ExecStartPre=/usr/lib/mysql/mysql-systemd-helper upgrade (code=exited, sta>
  Process: 3440 ExecStartPre=/usr/lib/mysql/mysql-systemd-helper install (code=exited, sta>
 Main PID: 3452 (mysqld)
   Status: "Taking your SQL requests now..."
    Tasks: 30 (limit: 8192)
   CGroup: /system.slice/mariadb.service
           └─3452 /usr/sbin/mysqld --defaults-file=/etc/my.cnf --user=mysql

systemctl set-property 应用新限制，并创建一个可持久保存的插入式文件 /etc/systemd/system/mariadb.service.d/50-TasksMax.conf，其中仅包含您要应用于现有单元文件的更改。值不一定必须是 8192，但应该是适合您工作负载的限制。

9.4.3 针对用户的默认 TasksMax 限制

 

针对用户的默认限制应相当高，因为用户会话需要更多的资源。通过创建新文件（例如 /etc/systemd/system/user-.slice.d/40-user-taskmask.conf）为任何用户设置您自己的默认值。以下示例设置的默认值为 16284： 

[Slice]
TasksMax=16284
注意
注意：数字前缀参考

请参见 https://documentation.suse.com/sles/15-SP3/html/SLES-all/cha-systemd.html#sec-boot-systemd-custom-drop-in 来了解插入式文件所需的数字前缀。

然后重新装载 systemd 以装载新值，并校验更改： 

> sudo systemctl daemon-reload
> systemctl show --property TasksMax user-1000.slice
TasksMax=16284

如何知道要使用哪些值？根据您的工作负载、系统资源和其他资源配置而定。如果 TasksMax 值太小，您会看到诸如无法派生（资源暂时不可用）、无法创建用于处理新连接的线程，以及错误：函数调用“fork”失败并出现错误代码 11“资源暂时不可用”等错误消息。

有关在 systemd 中配置系统资源的详细信息，请参见 systemd.resource-control (5)。

9.5 使用 cgroup 进行 I/O 控制

 

本节介绍如何使用 Linux 内核的块 I/O 控制器来指定 I/O 操作的优先级或限制此类操作。本节将利用 systemd 提供的方法来配置 cgroup，并讨论在处理按比例 I/O 控制时可能存在的陷阱。

9.5.1 先决条件

 

以下小节介绍了在设计和配置系统时必须提前采取的措施，因为在运行时期间无法更改这方面的设置。

9.5.1.1 文件系统

 

应该使用 cgroup 写回感知的文件系统（否则无法计算写回费用）。建议的 SLES 文件系统新增了对下述上游版本的支持：

  • Btrfs (v4.3)

  • Ext4 (v4.3)

  • XFS (v5.3)

从 SUSE Linux Enterprise Desktop 15 SP3 开始，可以使用任何命名文件系统。

9.5.1.2 统一 cgroup 层次结构

 

要正确统计写回 I/O，必须具有相同的 I/O 和内存控制器 cgroup 层次结构，并使用 cgroup v2 I/O 控制器。总而言之，这意味着必须使用统一 cgroup 层次结构。必须通过在 SLES 中传递内核命令行选项 systemd.unified_cgroup_hierarchy=1 来显式请求此模式。

9.5.1.3 块 I/O 调度程序

 

限制策略在堆栈中的更高级别实施，因此不需要进行任何额外的调整。按比例 I/O 控制策略有两种不同的实施方式：BFQ 控制器和基于成本的模型。本节介绍 BFQ 控制器。要对特定的设备按比例实施该策略，我们必须确保 BFQ 是所选的调度程序。检查当前调度程序： 

> cat /sys/class/block/sda/queue/scheduler
mq-deadline kyber bfq [none]

将调度程序切换到 BFQ： 

 # echo bfq > /sys/class/block/sda/queue/scheduler

必须指定磁盘设备（而不是分区）。设置此属性的最佳方式是创建特定于设备的 udev 规则（请注意，SLES 随附的 udev 规则已经为旋转式磁盘驱动器启用了 BFQ）。

9.5.1.4 Cgroup 层次结构布局

 

一般情况下，所有任务都驻留在根 cgroup 中，它们会相互竞争。将任务分发到 cgroup 树中时，竞争只在同级 cgroup 之间发生。这一点适用于按比例 I/O 控制；限制会按层次结构聚合所有后代的吞吐量（参见下图）。 

r
`-  a      IOWeight=100
    `- [c] IOWeight=300
    `-  d  IOWeight=100
`- [b]     IOWeight=200

I/O 仅源自 cgroup c 和 b。即使 c 的权重更高，也会以更低的优先级来处理它，因为它与 b 之间存在级别竞争。

9.5.2 配置控制数量

 

可将这些值永久应用于（长时间运行的）服务。 

> sudo systemctl set-property fast.service IOWeight=400
> sudo systemctl set-property slow.service IOWeight=50
> sudo systemctl set-property throttled.service IOReadBandwidthMax="/dev/sda 1M"

或者，可将 I/O 控制应用于单个命令，例如： 

> sudo systemd-run --scope -p IOWeight=400 high_prioritized_command
> sudo systemd-run --scope -p IOWeight=50 low_prioritized_command
> sudo systemd-run --scope -p IOReadBandwidthMax="/dev/sda 1M" dd if=/dev/sda of=/dev/null bs=1M count=10

9.5.3 I/O 控制行为和设置预期

 

以下列表项目描述了 I/O 控制行为，以及各种条件下的预期结果。

  • I/O 控制最适合用于直接 I/O 操作（绕过页面缓存），实际 I/O 与调用方解耦的情况（通常会通过页面缓存写回）可能以各种方式表现出来。例如，I/O 控制发生延迟，甚至观察不到 I/O 控制（例如，在极少出现突发或竞争性工作负载碰巧永不“相遇”、同时提交 I/O 以及带宽饱和的情况下）。出于这些原因，最终的 I/O 吞吐量比率并不严格遵守配置权重的比率。

  • systemd 执行配置权重的缩放（以根据较窄的 BFQ 权重范围进行调整），因此最终的吞吐量比率也不相同。

  • 除了全局 sysctl 句柄之外，写回活动还取决于未写入页的数量（vm.dirty_background_ratio 和 vm.dirty_ratio）。当未写入页限制分布在 cgroup 之间时，各个 cgroup 的内存限制就会发挥作用，从而可能影响相关 cgroup 的 I/O 强度。

  • 并非所有存储区都是相同的。I/O 控制发生在 I/O 调度程序层，这会对堆叠在不执行实际调度的存储区上的设备的设置产生影响。以跨越多个物理设备、MD RAID 甚至 Btrfs RAID 的设备映射器逻辑卷为例。对此类设置进行 I/O 控制可能颇有难度。

  • 没有单独的设置用于对读取和写入进行按比例 I/O 控制。

  • 按比例 I/O 控制只是能够彼此交互的策略之一（但负责任的资源设计可能会避免这种交互）。

  • I/O 设备带宽不是 I/O 路径中唯一的共享资源。这涉及到全局文件系统结构，当 I/O 控制旨在保证特定的带宽时，就要考虑到此因素；但这种控制不能保证带宽，甚至可能导致优先级反转（优先的 cgroup 会等待较慢 cgroup 的事务）。

  • 到目前为止，我们一直都在讨论文件系统数据的显式 I/O，但换入和换出也可以控制。不过，如果出现这种需求，系统通常会指出内存供应不当（或内存限制）。

9.6 更多信息

 

  • 内核文档（软件包 kernel-source）：/usr/src/linux/Documentation/admin-guide/cgroup-v1 中的文件，以及文件 /usr/src/linux/Documentation/admin-guide/cgroup-v2.rst。

  • man systemd.resource-control

  • https://lwn.net/Articles/604609/ — Brown, Neil：Control Groups Series（控制组系列，发布于 2014 年，包含 7 个部分）。

  • https://lwn.net/Articles/243795/ — Corbet, Jonathan：Controlling memory use in containers（控制容器中的内存使用，发布于 2007 年）。

  • https://lwn.net/Articles/236038/ — Corbet, Jonathan：Process containers（进程容器，发布于 2007 年）。