cgroup blkio子系统对容器的读写限速详解

正文

如果多个容器同时read/write节点上的一块磁盘，如何对每个容器的read/write操作限速，以防止其相互干扰、相互竞争。

cgroup v1的blkio子系统，可以限制磁盘的I/O。

一. 磁盘读写的指标

衡量磁盘读写的常见指标：

• IOPS(Input/Output Operations per Second): 每秒读写磁盘的次数；
• Throughput(吞吐量): 每秒读写磁盘的数据量，也称为带宽(BandWidth);

Throughput = 数据块大小 * IOPS

在IOPS固定的情况下，读写的数据块越大，吞吐量也越大。

二. cgroup v1的blkio子系统

blkio cgroup的虚拟文件系统挂载点/sys/fs/cgroup/blkio/，包含以下参数：

• blkio.throttle.read_iops_device：读IOPS限制；
• blkio.throttle.read_bps_device：读吞吐量限制；
• blkio.throttle.write_iops.device：写IOPS限制；
• blkio.throttle.write_bps_device：写吞吐量限制；

比如，限制容器对磁盘/dev/vdb的写吞吐量 <= 10MB/s:

## 1.首先拿到/dev/vdb的主次设备号
# 其中 252:16是/dev/vdb的主次设备号
# ls -l /dev/vdb -l
brw-rw---- 1 root disk 252, 16 Nov  2 08:02 /dev/vdb

## 2.然后写cgroup
echo "252:16 10485760" > $CGROUP_CONTAINER_PATH/blkio.throttle.write_bps_device

可以使用fio工具，在容器中进行验证：

docker exec fio_test1 fio -direct=1 -rw=write -ioengine=libaio -bs=4k -size=100MB -numjobs=1 -name=/tmp/fio_test1.log

值得注意的是：

Cgroupv1 blkio只能对Direct I/O进行限速，不能对Buffered I/O进行限制。

三. Direct I/O 与 Buffered I/O

Direct I/O和Buffered I/O发生在用户 写 磁盘文件时。

• Direct I/O:

  • 通过Linux内核的filesystem --> block layer --> disk driver --> disk hardware；

• Buffered I/O:

  • 用户进程将数据写入Page cache后就返回了；
  • Linux内核线程把内存中的数据flush到磁盘；

在Linux中，基于性能考虑，绝大多数的应用都使用Buffered I/O模式。

四. 为什么cgroup v1 blkio不能限制Buffered I/O

对下图中的进程 pid_y 的cgroup进行限制，它分别属于memory cgroup 和 blkio cgroup：

在blkio cgroup对 pid_y 做磁盘I/O限制的时候，blkio不会关心：

• pid_y 用了哪些内存，哪些属于Page cache，何时flush到磁盘；
• pid_y 中的Page cache被flush到磁盘时，由于是内核线程执行flush，产生的磁盘I/O不被计算到进程 pid_y上；

也就是说：

cgroup v1 blkio独立与memory子系统，它无法统计由Page cache刷入磁盘的I/O;

即 cgroup v1 blkio不能对Buffered I/O进行限速；

五. cgroup v2解决这一问题

cgroup v2解决了不能对Buffered I/O进行限速的问题。

在cgroup v2中：

• 一个进程属于一个控制组；
• 每个控制组可以定义多个子系统；

上图中，pid_y 属于控制组group2，而group2同时配置了io和memory子系统；
在此情况下，cgroup对 pid_y 的磁盘读写进行限速的时候，就可以知道 pid_y 写入Page Cache的数据量，这样Buffered I/O的磁盘限速就实现了。

也就是说，在cgroup v2中：

内核将Page cache flush到磁盘产生的I/O也会被计算到进程的I/O中；

对磁盘限速时，可以同时限制Directed I/O和Buffered I/O；

值得注意的是，目前runC、containerd和kubernetes刚开始支持cgroup v2，生产环境上cgroup v1迁移到cgroup v2还需要一个过程。

参考 blkio的文档

https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v1/blkio-controller.txt

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