如何在 Go 中使用 CGroup 实现进程内存控制

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背景

从 Linux 内核 2.6.25 开始，CGroup 支持对进程内存的隔离和限制，这也是 Docker 等容器技术的底层支撑。

使用 CGroup 有如下好处：

在共享的机器上，进程相互隔离，互不影响，对其它进程是种保护。

对于存在内存泄漏的进程，可以设置内存限制，通过系统 OOM 触发的 Kill 信号量来实现重启。

CGroup 快速入门

默认挂载分组

Linux 系统默认支持 CGroup, 而且默认挂载所有选项，可以使用 mount -t cgroup 来查看：

$ mount -t cgroup
cgroup on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,xattr,release_agent=/usr/lib/systemd/systemd-cgroups-agent,name=systemd)
cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,net_cls)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuset)
cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,perf_event)
cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,freezer)
cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuacct,cpu)
cgroup on /sys/fs/cgroup/hugetlb type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,hugetlb)
cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,devices)
cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,blkio)

CGroup 相关的资源包括 cpu,memory,blkio等，而我们今天主要关心的是内存，即 /sys/fs/cgroup/memory。

创建 climits 内存分组

我们可以使用 mkdir /sys/fs/cgroup/memory/climits 来创建属于自己的内存组 climits:

$ mkdir /sys/fs/cgroup/memory/climits

此时系统已经在目录 /sys/fs/cgroup/memory/climits 下为我们生成了内存相关的所有配置：

$ ls -la /sys/fs/cgroup/memory/climits
cgroup.clone_children memory.kmem.limit_in_bytes memory.kmem.tcp.usage_in_bytes memory.memsw.max_usage_in_bytes memory.soft_limit_in_bytes tasks
cgroup.event_control memory.kmem.max_usage_in_bytes memory.kmem.usage_in_bytes memory.memsw.usage_in_bytes memory.stat
cgroup.procs memory.kmem.slabinfo memory.limit_in_bytes memory.move_charge_at_immigrate memory.swappiness
memory.failcnt memory.kmem.tcp.failcnt memory.max_usage_in_bytes memory.numa_stat memory.usage_in_bytes
memory.force_empty memory.kmem.tcp.limit_in_bytes memory.memsw.failcnt memory.oom_control memory.use_hierarchy
memory.kmem.failcnt memory.kmem.tcp.max_usage_in_bytes memory.memsw.limit_in_bytes memory.pressure_level notify_on_release

主要配置含义：

  • cgroup.procs: 使用该组配置的进程列表。
  • memory.limit_in_bytes：内存使用限制。
  • memory.memsw.limit_in_bytes：内存和交换分区总计限制。
  • memory.swappiness: 交换分区使用比例。
  • memory.usage_in_bytes： 当前进程内存使用量。
  • memory.stat: 内存使用统计信息。
  • memory.oom_control: OOM 控制参数。
  • 其它，参考官方手册

设置内存限制

假设有进程 pid 1234，希望设置内存限制为 10MB，我们可以这样操作：

  • limit_in_bytes 设置为 10MB
echo 10M > /sys/fs/cgroup/memory/climits/memory.limit_in_bytes

swappiness 设置为 0，表示禁用交换分区，实际生产中可以配置合适的比例。

echo 0 > /sys/fs/cgroup/memory/climits/memory.swappiness

添加控制进程

echo 1234 > /sys/fs/cgroup/memory/climits/cgroup.procs

当进程 1234 使用内存超过 10MB 的时候，默认进程 1234 会触发 OOM，被系统 Kill 掉。

Go 实现进程内存限制

上面我们已经讲到 CGroup 内存限制的原理，接下来我们就用 Go 代码来实现一个简单的进程内存限制以及守护（被 Kill 能够自动重启）。

  • 进程测试代码:
  • 该代码主要逻辑是每隔一秒申请 1MB 存储空间，并且不释放，然后再打印下 Go 的内存申请情况。
// example/simple_app.go
package main
import (
 "fmt"
 "os"
 "runtime"
 "time"
)
const (
 MB = 1024 * 1024
)
func main() {
 blocks := make([][MB]byte, 0)
 fmt.Println("Child pid is", os.Getpid())
 for i := 0; ; i++ {
 blocks = append(blocks, [MB]byte{})
 printMemUsage()
 time.Sleep(time.Second)
 }
}
func printMemUsage() {
 var m runtime.MemStats
 runtime.ReadMemStats(&m)
 fmt.Printf("Alloc = %v MiB", bToMb(m.Alloc))
 fmt.Printf("\tSys = %v MiB \n", bToMb(m.Sys))
}
func bToMb(b uint64) uint64 {
 return b / MB
}

通过 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o simpleapp example/simple_app.go 命令，编译一个 Linux 版本的可执行程序 simpleapp。

  • 进程守护程序
  • 该守护程序主要实现进程内存限制和进程守护（自动重启），代码如下：
// main.go
package main
import (
 "flag"
 "fmt"
 "io/ioutil"
 "log"
 "os"
 "os/exec"
 "os/signal"
 "path/filepath"
 "syscall"
)
var (
 rssLimit int
 cgroupRoot string
)
const (
 procsFile = "cgroup.procs"
 memoryLimitFile = "memory.limit_in_bytes"
 swapLimitFile = "memory.swappiness"
)
func init() {
 flag.IntVar(&rssLimit, "memory", 10, "memory limit with MB.")
 flag.StringVar(&cgroupRoot, "root", "/sys/fs/cgroup/memory/climits", "cgroup root path")
}
func main() {
 flag.Parse()
 // set memory limit
 mPath := filepath.Join(cgroupRoot, memoryLimitFile)
 whiteFile(mPath, rssLimit*1024*1024)
 // set swap memory limit to zero
 sPath := filepath.Join(cgroupRoot, swapLimitFile)
 whiteFile(sPath, 0)
 go startCmd("./simpleapp")
 c := make(chan os.Signal, 1)
 signal.Notify(c, os.Interrupt)
 s := <-c
 fmt.Println("Got signal:", s)
}
func whiteFile(path string, value int) {
 if err := ioutil.WriteFile(path, []byte(fmt.Sprintf("%d", value)), 0755); err != nil {
 log.Panic(err)
 }
}
type ExitStatus struct {
 Signal os.Signal
 Code int
}
func startCmd(command string) {
 restart := make(chan ExitStatus, 1)
 runner := func() {
 cmd := exec.Cmd{
 Path: command,
 }
 cmd.Stdout = os.Stdout
 // start app
 if err := cmd.Start(); err != nil {
 log.Panic(err)
 }
 fmt.Println("add pid", cmd.Process.Pid, "to file cgroup.procs")
 // set cgroup procs id
 pPath := filepath.Join(cgroupRoot, procsFile)
 whiteFile(pPath, cmd.Process.Pid)
 if err := cmd.Wait(); err != nil {
 fmt.Println("cmd return with error:", err)
 }
 status := cmd.ProcessState.Sys().(syscall.WaitStatus)
 options := ExitStatus{
 Code: status.ExitStatus(),
 }
 if status.Signaled() {
 options.Signal = status.Signal()
 }
 cmd.Process.Kill()
 restart <- options
 }
 go runner()
 for {
 status := <-restart
 switch status.Signal {
 case os.Kill:
 fmt.Println("app is killed by system")
 default:
 fmt.Println("app exit with code:", status.Code)
 return
 }
 fmt.Println("restart app..")
 go runner()
 }
}

这段代码的主要逻辑为：

通过配置参数 memory ，修改 memory.limit_in_bytes 和 memory.swappiness 来设置最大内存使用量。

通过 cmd.Start() 启动一个进程。

将新生成的进程号 cmd.Process.Pid 写到 cgroup.procs。

通过 cmd.Wait() 接收命令输出结果。

如果返回结果为 Kill 信号的时候，能够重启任务。

通过 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o climits main.go 命令，编译一个 Linux 版本的可执行程序 climits。

运行示例

我们已经提前创建了一个叫做 climits 的内存相关 CGroup，并且目录下包含 climits, simpleapp 两个可执行程序。

此时运行命令 ./climits -memory 60，可以看到如下输出：

[[email protected] climits]# ./climit -memory 60
add pid 48189 to file cgroup.procs
Child pid is 48189
Alloc = 1 MiB Sys = 66 MiB 
Alloc = 3 MiB Sys = 66 MiB 
Alloc = 8 MiB Sys = 68 MiB 
Alloc = 8 MiB Sys = 68 MiB 
Alloc = 16 MiB Sys = 68 MiB 
Alloc = 16 MiB Sys = 68 MiB 
...
Alloc = 32 MiB Sys = 134 MiB 
Alloc = 32 MiB Sys = 134 MiB 
cmd return with error: signal: killed
app is killed by system
restart app..
add pid 48256 to file cgroup.procs
Child pid is 48256
Alloc = 1 MiB Sys = 66 MiB 
Alloc = 3 MiB Sys = 68 MiB 
Alloc = 4 MiB Sys = 68 MiB 
Alloc = 12 MiB Sys = 68 MiB 
^CGot signal: interrupt

通过输出可以看出，当内存超过一定限制后，进程 48189 会被 Kill 掉，守护程序收到 Kill 信号后，会先关闭老进程，再重启新进程 48256。

总结

这篇文章主要简单介绍了 CGroup 控制进程内存的原理，并通过 Go 代码实现一个简单的进程守护，支持内存限制和进程重启。我们还可以通过它来查看进程内存使用详细信息，以此完成一个简易内存 container。

参考链接：

  • man7/cgroups
  • 限制cgroup的内存使用
  • climits源代码

作者：宋佳洋

出处：//www.songjiayang.com/posts/shi-yong-cgroup-shi-xian-nei-cun-kong-zhi

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