K8S cgroups详解

以下是 Kubernetes 中 cgroups（Control Groups） 的详细解析，涵盖其核心原理、在 Kubernetes 中的具体应用及实践操作：

一、cgroups 基础概念

1. 是什么？

• cgroups 是 Linux 内核提供的 资源隔离与控制机制，用于限制、统计和监控进程组（如容器）的资源使用。

• 可管理的资源类型：

  • CPU：分配核心数、时间片权重

  • 内存：限制最大使用量、Swap 控制

  • I/O：磁盘和网络带宽限制

  • 进程数：防止 fork bomb

  • 设备访问：限制特定设备使用

2. 核心组件

组件	功能
Hierarchy	树状层级结构，每个层级绑定一个或多个子系统（如 CPU、Memory）
Subsystem	资源控制器（如 cpu、memory、blkio），负责具体资源管理
Cgroup	层级中的节点，包含一组进程及其资源限制规则
Task	进程（线程），属于某个 cgroup，资源受其规则约束

3. cgroup v1 vs v2

特性	cgroup v1	cgroup v2
层级结构	多层级，每个子系统独立	单一层级，统一管理所有子系统
资源分配模型	分散控制	统一权重分配（如 cpu.weight）
内存控制	memory.limit_in_bytes	memory.max
兼容性	广泛支持	需较新内核（≥4.15）

二、Kubernetes 中的 cgroups 实现

1. 资源模型

Kubernetes 通过 Resource Requests/Limits 定义容器的资源需求，底层由容器运行时（如 containerd、Docker）转换为 cgroup 配置。

resources:requests:cpu: "500m"    # 0.5 CPU 核心memory: "1Gi"   # 1 GB 内存limits:cpu: "1"       # 1 CPU 核心memory: "2Gi"   # 内存硬限制

2. 核心子系统映射

Kubernetes 参数	cgroup 子系统	关键文件/参数
CPU Requests	cpu	cpu.shares（权重）
CPU Limits	cpu	cpu.cfs_period_us + cpu.cfs_quota_us
Memory Limits	memory	memory.limit_in_bytes（v1）或 memory.max（v2）
HugePages	hugetlb	hugetlb.<size>.limit_in_bytes
Ephemeral Storage	blkio（部分）	通过 XFS 配额或 blkio.throttle 控制

3. cgroup 路径结构

容器 cgroup 路径示例（v1）：

# 查看容器进程的 cgroup
$ cat /proc/<PID>/cgroup# 示例输出：
12:memory:/kubepods/burstable/pod<UID>/<容器ID>
3:cpu,cpuacct:/kubepods/burstable/pod<UID>/<容器ID>

Kubernetes 层级命名规则：

/kubepods/[QoS-Class]/pod<Pod-UID>/<Container-ID>

• QoS Class：burstable（弹性）、besteffort（尽力而为）、guaranteed（保证）

三、实战操作：验证 cgroup 配置

1. 查看容器的 cgroup 限制

进入容器所在节点的 cgroup 目录（以内存为例）：

# 查找容器对应的 cgroup 路径
$ CONTAINER_ID=$(docker ps | grep <容器名> | awk '{print $1}')
$ CGROUP_PATH=$(docker inspect $CONTAINER_ID | grep -i cgroup | grep memory | head -1 | cut -d'"' -f4)# 查看内存限制
$ cat /sys/fs/cgroup/memory/$CGROUP_PATH/memory.limit_in_bytes
2147483648  # 2Gi

2. 动态调整 cgroup 参数（调试用）

# 临时修改 CPU 配额（慎用！）
echo 50000 > /sys/fs/cgroup/cpu/$CGROUP_PATH/cpu.cfs_quota_us  # 限制为 50ms/100ms 周期

四、Kubernetes 资源 QoS 与 cgroup

1. QoS 等级

QoS 级别	条件	cgroup 表现
Guaranteed	所有容器设置 limits=requests	高优先级，cpu.shares 根据 requests 分配，内存不足时最后被 OOMKill
Burstable	至少一个容器设置 requests<limits 或未设置 limits	中等优先级，资源超用时可能被限制或终止
BestEffort	所有容器未设置 requests 和 limits	最低优先级，资源紧张时优先被终止

2. OOM 处理机制

• 当节点内存不足时，OOM Killer 按优先级终止容器：

  • BestEffort → 2. Burstable → 3. Guaranteed

• 查看 OOM 事件：

  dmesg | grep -i "oom"
  journalctl -k | grep -i "oom"

五、高级配置

1. 自定义 cgroup 驱动

Kubernetes 支持两种 cgroup 驱动：

• cgroupfs：直接写入 cgroup 文件系统（默认）。

• systemd：通过 systemd 管理 cgroup（需节点使用 systemd）。

配置 kubelet 使用 systemd 驱动：

--cgroup-driver=systemd

2. 设置 cgroup 根目录

调整 kubelet 参数：

--cgroup-root=/custom-cgroup

3. Reserved Resources

为系统进程预留资源，避免容器占用全部资源：

# kubelet 配置
apiVersion: kubelet.config.k8s.io/v1beta1
kind: KubeletConfiguration
systemReserved:cpu: "500m"memory: "1Gi"

六、常见问题排查

1. 容器被 OOMKilled

• 检查点：

  kubectl describe pod <pod-name> | grep -i "OOM"
  kubectl get events --field-selector=reason=OOMKilled

• 解决：调整 spec.containers[].resources.limits.memory

2. CPU 节流（Throttling）

• 检查点：

  kubectl top pod --containers
  cat /sys/fs/cgroup/cpu/$CGROUP_PATH/cpu.stat | grep nr_throttled

• 解决：优化应用 CPU 使用或增加 limits.cpu

总结

• 核心作用：Kubernetes 通过 cgroups 实现容器资源隔离，保障多租户环境稳定性。

• 配置关键：合理设置 requests/limits，结合 QoS 策略优化资源分配。

• 调试工具：docker stats、kubectl top、直接查看 cgroup 文件系统。