k8s笔记27--快速了解 k8s pod和cgroup的关系

介绍

随着云计算、云原生技术的成熟和广泛应用，K8S已经成为容器编排的事实标准，学习了解容器、K8S技术对于新时代的IT从业者显得极其重要了。
之前在文章 docker笔记13–面试必知的容器核心技术 中介绍了容器相关的核心技术，包括容器的隔离技术和限制技术，搞明白这些内容可以说理解了容器技术的底层原理。k8s作为当前最流行的开源的容器编排引擎，用来对容器化应用进行自动化部署、 扩缩和管理，它以pod为基础构成了各种有价值的工作负载。作为最重要的工作负载，它和容器有什么关联呢，是如何利用cgroup来实现资源限制的呢，它的限制又体现在哪里呢？本文就基于这些基础问题一步步展开…

pod & cgroup

Pod 是可以在 Kubernetes 中创建和管理的、最小的可部署的计算单元, 它包含一组容器，这些容器共享存储、网络、以及怎样运行这些容器的声明。
当Pod备调度期调度到某个节点后，节点上的kubelet就会和High-Level的容器运行时通信，把创建pod所涉及的容器参数传递给容器运行时，容器运行时最终通过Low-Level的runc或者其它运行时工具创建对应的容器。当容器创建成功后，我们可以通过docker inspect 或者 nerdctl inspect 来找到容器的pid，然后通过pid找到具体的cgroup信息。

k8s pod相关cgroup基础信息位置如下

k8s pod相关cgroup位置 ： /sys/fs/cgroup/systemd/kubepods.sliceGuaranteed 类型pod 直接存放在 kubepods.slice 根目录下，例如: 
/sys/fs/cgroup/systemd/kubepods.slice/kubepods-pod48574e3c_f4d0_4a5c_84bb_166fd32ea22b.sliceBurstable 类型pod直接在子目录 kubepods-burstable.slice下, 例如 ：
/sys/fs/cgroup/systemd/kubepods.slice/kubepods-burstable.slice/kubepods-burstable-pod49f8fde6_4c35_44c7_a237_c5b8c4312953.sliceBest-Effort 类型pod直接在子目录 kubepods-besteffort.slice下, 例如：
/sys/fs/cgroup/systemd/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice

此处以 xg-dev命名空间的 pod besteffort-busybox-778b6fb576-8p59p为例，可以通过如下步骤找到对应的cgroup详细信息

1) 获取容器信息
# nerdctl --namespace=k8s.io ps|grep  besteffort
b6ec5bbb1447    docker.io/kubesphere/pause:3.7                                                         "/pause"                  36 minutes ago    Up                 k8s://xg-dev/besteffort-busybox-778b6fb576-8p59p
be0bfc9325bc    docker.io/library/busybox:1.32                                                         "/bin/sh -c sleep 36…"    36 minutes ago    Up                 k8s://xg-dev/besteffort-busybox-778b6fb576-8p59p/busybox2）通过nerdctl inspect 获取容器pid
# nerdctl --namespace=k8s.io inspect be0bfc9325bc|grep -i pid"Pid": 33866,3）通过pid获取 cgroup位置
通过 cat /proc/${pid}/cgroup 来找到实际pid的cgroup配置
# cat /proc/33866/cgroup 
11:devices:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
10:blkio:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
9:hugetlb:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
8:memory:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
7:freezer:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
6:perf_event:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
5:net_prio,net_cls:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
4:cpuset:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
3:cpuacct,cpu:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
2:pids:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
1:name=systemd:/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope4）通过 ls /sys/fs/cgroup/systemd/** 就可以看到这个pod指定容器的cgroup基础信息，其中 cgroup.procs 存放了容器进程的id
# ls /sys/fs/cgroup/systemd/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
cgroup.clone_children  cgroup.event_control  cgroup.procs  notify_on_release  tasks5）进一步可以在 /sys/fs/cgroup/cpu/kubepods.slice/* 中查看cpu相关详细cgroup信息
# ls /sys/fs/cgroup/cpu/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice/kubepods-besteffort-podc1bb8757_1115_4dc5_a0cf_5fd39e14fdd9.slice/cri-containerd-be0bfc9325bcf952464d5bf613e29afd792cbb9069bd34164ddc6a23e5b10ea5.scope
cgroup.clone_children  cgroup.procs  cpuacct.usage         cpu.cfs_period_us  cpu.rt_period_us   cpu.shares  notify_on_release
cgroup.event_control   cpuacct.stat  cpuacct.usage_percpu  cpu.cfs_quota_us   cpu.rt_runtime_us  cpu.stat    tasks同理可以在 /sys/fs/cgroup/{blkio,memory}/** 中查看blkio、memory等详细信息。

创建3个不同qosClass 的 deployment, 相关参数如下:

	besteffort-busybox	burstable-busybox	guaranted-busybox
cpu requests	60m	60m	空
memory requests	50Mi	50Mi	空
cpu limits	60m	100m	空
memory limits	50Mi	100Mi	空
cgroup 位置	/sys/*/kubepods.slice/	/sys/*/kubepods.slice/kubepods-burstable.slice	/sys/*/kubepods.slice/kubepods-besteffort.slice

guaranted-busybox 容器的CPU和Memory信息如下
这里 cfs_period_us 默认为100ms， 100ms内cfs_quota_us为6ms，即1000ms内为60ms，等价于我们的60m

这里 5010241024 = 52428800 ，刚好为50Mi

同理 burstable-busybox 容器的CPU和Memory信息如下


这里100ms内cfs_quota_us为10ms，刚好对应CPU limit 100m, 10010241024 = 104857600 ，刚好对应memory limit 100Mi

同理 besteffort-busybox 容器的CPU和Memory信息如下


可以发现 besteffort 的pod对应的容器cpu.cfs_quota_us为-1， memory.limit_in_bytes为一个极大值(远超实际的内存)。

通过上述内容可以发现当Pod对应的容器在机器创建成功后，系统上会对该容器做对应的cgroup限制，后续CPU、内存的使用就会被限制了。

注意事项

1. 每个pod在启动的时候除了有正常运行的容器外，还有一个做初始化工作的pause容器，
   我们可以看到kubelet的启动配置参数中有一个类似–pod-infra-container-image=kubesphere/pause:3.7 类型的参数，通过名字可以大概猜到时pod基础镜像相关的容器。pause 容器它cgroup 的 cpu.cfs_quota_us值也为-1， memory.limit_in_bytes也为一个极大值。

   默认每个pod都有一个对应的pause容器:
   
   kubelet启动参数中指定了 pod-infra-container-image 参数
   

说明

软件环境:
centos 7
k8s v1.24.9
containerd v1.7.3
cgroup v1
参考文档:
k8s官方文档-工作负载
Kubernetes-Qos之 Guaranteed, Burstable，Best-Effor
Kubernetes中 Requests 和 Limits 的初步理解
Kubernetes中的Pause容器到底是干嘛的