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Linux systemd资源控制初步理解分析

时间:2018-06-04  来源:未知  作者:admin666

本文记录一次cgroup子目录丢失问题,并简单探索了Linux systemd的资源控制机制。

问题现象

我们希望通过systemd拉起服务并通过cgroup限制其CPU、memory的使用,因此我们新建了一个.service文件,文件里面创建了自己的cgroup目录,设置了cpu、memory限制,然后通过cgexec拉起我们的服务进程。假设我们的服务叫xx,.service文件大概是这样的:

[Unit]
Description=xx Server
Documentation=xx docs

[Service]
EnvironmentFile=-/etc/xx
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /sys/fs/cgroup/memory/xx
ExecStartPre=/usr/bin/bash -c "echo 2G > /sys/fs/cgroup/memory/xx/memory.limit_in_bytes"
ExecStartPre=/usr/bin/bash -c "echo 2G > /sys/fs/cgroup/memory/xx/memory.memsw.limit_in_bytes"

ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /sys/fs/cgroup/cpu/xx
ExecStartPre=/usr/bin/bash -c "echo 100000 > /sys/fs/cgroup/cpu/xx/cpu.cfs_period_us"
ExecStartPre=/usr/bin/bash -c "echo 100000 > /sys/fs/cgroup/cpu/xx/cpu.cfs_quota_us"
ExecStartPre=/usr/bin/bash -c "echo 1024 > /sys/fs/cgroup/cpu/xx/cpu.shares"

ExecStart=/usr/bin/cgexec -g cpu,memory:xx /usr/bin/xx

Restart=on-failure
KillMode=process
LimitNOFILE=102400
LimitNPROC=102400
LimitCORE=infinity

[Install]
WantedBy=multi-user.target

设置完.service文件后,将其拷贝到/usr/lib/systemd/system目录(CentOS 7)下,然后通过systemctl start xx.service启动,通过systemctl enable xx.service关联自启动项。
 但在运行很久之后,发现我们的xx服务内存使用爆了,然后查看我们自己创建的xx cgroup目录丢失了,因此对应的CPU、memory资源也就没有限制住。

分析过程

刚开始的定位过程是很懵逼的,各种日志查看没有发现线索,尝试复现也没有成功。正在苦恼没有方向之际,无意中发现执行了其他服务的systemd的某些操作(stop/start/enable)之后,复现了问题,就这样盯上了systemd。
 后来发现其实一开始就可以通过查看进程的cgroup信息就能很快找到线索:进程cgroup移到了/system.slice/xx.service目录下:

[root@localhost ~]# cat /proc/214041/cgroup
10:memory:/system.slice/xx.service
4:cpuacct,cpu:/system.slice/xx.service

而/system.slice/xx.service正是systemd为xx这个服务创建的cgroup目录。所以问题锁定为systemd把xx进程从我们自己创建的cgroup移动到它默认创建的cgroup里,但是它默认创建的cgroup显然没有设置过资源限制。

systemd资源控制

systemd通过Unit的配置文件配置资源控制,Unit包括services(上面例子就是一个service unit), slices, scopes, sockets, mount points, 和swap devices六种。systemd底层也是依赖Linux Control Groups (cgroups)来实现资源控制。

cgroup v1和v2

cgroup有两个版本,新版本的cgroup v2即Unified cgroup(参考cgroup v2)和传统的cgroup v1(参考cgroup v1),在新版的Linux(4.x)上,v1和v2同时存在,但同一种资源(CPU、内存、IO等)只能用v1或者v2一种cgroup版本进行控制。systemd同时支持这两个版本,并在设置时为两者之间做相应的转换。对于每个控制器,如果设置了cgroup v2的配置,则忽略所有v1的相关配置。
 在systemd配置选项上,cgroup v2相比cgroup v1有如下不一样的地方:
1.CPU: CPUWeight=和StartupCPUWeight=取代了CPUShares=和StartupCPUShares=。cgroup v2没有"cpuacct"控制器。
2.Memory:MemoryMax=取代了MemoryLimit=. MemoryLow= and MemoryHigh=只在cgroup v2上支持。
3.IO:BlockIO前缀取代了IO前缀。在cgroup v2,Buffered写入也统计在了cgroup写IO里,这是cgroup v1一直存在的问题。

配置选项(新版本systemd)

CPUAccounting=:是否开启该unit的CPU使用统计,BOOL型,true或者false。

CPUWeight=weight, StartupCPUWeight=weight:用于设置cgroup v2的cpu.weight参数。取值范围1-1000,默认值100。StartupCPUWeight应用于系统启动阶段,CPUWeight应用于正常运行时。这两个配置取代了旧版本的CPUShares=和StartupCPUShares=。

CPUQuota=:用于设置cgroup v2的cpu.max参数或者cgroup v1的cpu.cfs_quota_us参数。表示可以占用的CPU时间配额百分比。如:20%表示最大可以使用单个CPU核的20%。可以超过100%,比如200%表示可以使用2个CPU核。

MemoryAccounting=:是否开启该unit的memory使用统计,BOOL型,true或者false。

MemoryLow=bytes:用于设置cgroup v2的memory.low参数,不支持cgroup v1。当unit使用的内存低于该值时将被保护,其内存不会被回收。可以设置不同的后缀:K,M,G或者T表示不同的单位。

MemoryHigh=bytes:用于设置cgroup v2的memory.high参数,不支持cgroup v1。内存使用超过该值时,进程将被降低运行时间,并快速回收其占用的内存。同样可以设置不同的后缀:K,M,G或者T(单位1024)。也可以设置为infinity表示没有限制。

MemoryMax=bytes:用于设置cgroup v2的memory.max参数,如果进程的内存超过该限制,则会触发out-of-memory将其kill掉。同样可以设置不同的后缀:K,M,G或者T(单位1024),以及设置为infinity。该参数去掉旧版本的MemoryLimit=。

MemorySwapMax=bytes:用于设置cgroup v2的memory.swap.max"参数。和MemoryMax类似,不同的是用于控制Swap的使用上限。

TasksAccounting=:是否开启unit的task个数统计,BOOL型,ture或者false。

TasksMax=N:用于设置cgroup的pids.max参数。控制unit可以创建的最大tasks个数。

IOAccounting:是否开启Block IO的统计,BOOL型,true或者false。对应旧版本的BlockIOAccounting=参数。

IOWeight=weight, StartupIOWeight=weight:设置cgroup v2的io.weight参数,控制IO的权重。取值范围0-1000,默认100。该设置取代了旧版本的BlockIOWeight=和StartupBlockIOWeight=。

IODeviceWeight=device weight:控制单个设备的IO权重,同样设置在cgroup v2的io.weight参数里,如“/dev/sda 1000”。取值范围0-1000,默认100。该设置取代了旧版本的BlockIODeviceWeight=。

IOReadBandwidthMax=device bytes, IOWriteBandwidthMax=device bytes:设置磁盘IO读写带宽上限,对应cgroup v2的io.max参数。该参数格式为“path bandwidth”,path为具体设备名或者文件系统路径(最终限制的是文件系统对应的设备名)。数值bandwidth支持以K,M,G,T后缀(单位1000)。可以设置多行以限制对多个设备的IO带宽。该参数取代了旧版本的BlockIOReadBandwidth=和BlockIOWriteBandwidth=。

IOReadIOPSMax=device IOPS, IOWriteIOPSMax=device IOPS:设置磁盘IO读写的IOPS上限,对应cgroup v2的io.max参数。格式和上面带宽限制的格式一样一样的。

IPAccounting=:BOOL型,如果为true,则开启ipv4/ipv6的监听和已连接的socket网络收发包统计。

IPAddressAllow=ADDRESS[/PREFIXLENGTH]…, IPAddressDeny=ADDRESS[/PREFIXLENGTH]…:开启AF_INET和AF_INET6 sockets的网络包过滤功能。参数格式为IPv4或IPv6的地址列表,IP地址后面支持地址匹配前缀(以'/'分隔),如”10.10.10.10/24“。需要注意,该功能仅在开启“eBPF”模块的系统上才支持。

DeviceAllow=:用于控制对指定的设备节点的访问限制。格式为“设备名 权限”,设备名以"/dev/"开头或者"char-"、“block-”开头。权限为'r','w','m'的组合,分别代表可读、可写和可以通过mknode创建指定的设备节点。对应cgroup的"devices.allow"和"devices.deny"参数。

DevicePolicy=auto|closed|strict:控制设备访问的策略。strict表示:只允许明确指定的访问类型;closed表示:此外,还允许访问包含/dev/null,/dev/zero,/dev/full,/dev/random,/dev/urandom等标准伪设备。auto表示:此外,如果没有明确的DeviceAllow=存在,则允许访问所有设备。auto是默认设置。

Slice=:存放unit的slice目录,默认为system.slice。

Delegate=:默认关闭,开启后将更多的资源控制交给进程自己管理。开启后unit可以在单其cgroup下创建和管理其自己的cgroup的私人子层级,systemd将不在维护其cgoup以及将其进程从unit的cgroup里移走。开启方法:“Delegate=yes”。所以通过设置Delegate选项,可以解决上面的问题。

配置选项(旧版本)

这些是旧版本的选项,新版本已经弃用。列出来是因为centos 7里的systemd是旧版本,所以要使用这些配置。

CPUShares=weight, StartupCPUShares=weight:进程获取CPU运行时间的权重值,对应cgroup的"cpu.shares"参数,取值范围2-262144,默认值1024。

MemoryLimit=bytes:进程内存使用上限,对应cgroup的"memory.limit_in_bytes"参数。支持K,M,G,T(单位1024)以及infinity。默认值-1表示不限制。

BlockIOAccounting=:开启磁盘IO统计选项,同上面的IOAccounting=。

BlockIOWeight=weight, StartupBlockIOWeight=weight:磁盘IO的权重,对应cgroup的"blkio.weight"参数。取值范围10-1000,默认值500。

BlockIODeviceWeight=device weight:指定磁盘的IO权重,对应cgroup的"blkio.weight_device"参数。取值范围1-1000,默认值500。

BlockIOReadBandwidth=device bytes, BlockIOWriteBandwidth=device bytes:磁盘IO带宽的上限配置,对应cgroup的"blkio.throttle.read_bps_device"和 "blkio.throttle.write_bps_device"参数。支持K,M,G,T后缀(单位1000)。

问题解决

回到上面的问题,我们可以通过两种方法解决:
1.在unit配置文件里添加一个Delegate=yes的选项,这样资源控制完全有用户自己管理,systemd不会去移动进程到其默认创建的cgroup里。
2.直接使用systemd的资源控制机制进行资源控制。通过直接使用systemd的资源控制的.service配置文件样例:

[Unit]
Description=xx Server

[Service]
ExecStart=/usr/bin/xx

LimitNOFILE=102400
LimitNPROC=102400
LimitCORE=infinity
Restart=on-failure
KillMode=process
MemoryLimit=1G
CPUShares=1024

[Install]
WantedBy=multi-user.target

修改完.service文件后,通过systemctl daemon-reload重新导入service文件,通过systemctl restart xx重启服务。

总结

systemd有自己的资源控制机制,所以用systemd拉起的服务时,不要自作聪明创建自己的cgroup目录并通过cgexec来拉起进程进行资源控制。

参考

systemd.resource-control
systemd for Administrators, Part XVIII
Control Group APIs and Delegation

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