vfs文件系统

要了解cgroup实现原理,必须先了解下vfs(虚拟文件系统).因为cgroup通过vfs向用户层提供接口,用户层通过挂载,创建目录,读写文件的方式与cgroup交互.
因为是介绍cgroup的文章,因此只阐述cgroup文件系统是如何集成进vfs的,过多的vfs实现可参考其他资料.

子系统的实现

1.[root@VM_109_95_centos /cgroup]#mount -t cgroup -ocpu cpu /cgroup/cpu/
2.[root@VM_109_95_centos /cgroup]#cd cpu/  &&  mkdir cpu_c1
3.[root@VM_109_95_centos /cgroup/cpu]#cd cpu_c1/  && echo 2048 >> cpu.shares
4.[root@VM_109_95_centos /cgroup/cpu/cpu_c1]#echo 7860 >> tasks

cpu子系统

   cpu子系统用于控制cgroup中所有进程可以使用的cpu时间片。附加了cpu子系统的hierarchy下面建立的cgroup的目录下都有一个cpu.shares的文件,对其写入整数值可以控制该cgroup获得的时间片。例如:在两个 cgroup 中都将 cpu.shares 设定为 1 的任务将有相同的 CPU 时间,但在 cgroup 中将 cpu.shares 设定为 2 的任务可使用的 CPU 时间是在 cgroup 中将 cpu.shares 设定为 1 的任务可使用的 CPU 时间的两倍。

cpu子系统是通过Linux CFS调度器实现的。所以在介绍cpu子系统之前,先简单说一下CFS调度器。按照作者Ingo Molnar的说法:"CFS百分之八十的工作可以用一句话概括:CFS在真实的硬件上模拟了完全理想的多任务处理器"。在“完全理想的多任务处理器”下,每个进程都能同时获得CPU的执行时间。当系统中有两个进程时,CPU的计算时间被分成两份,每个进程获得50%。然而在实际的硬件上,当一个进程占用CPU时,其它进程就必须等待。所以CFS将惩罚当前进程,使其它进程能够在下次调度时尽可能取代当前进程。最终实现所有进程的公平调度。  

CFS调度器将所有状态为RUNABLE的进程都被插入红黑树。在每个调度点,CFS调度器都会选择红黑树的最左边的叶子节点作为下一个将获得cpu的进程。 那红黑树的键值是怎么计算的呢?红黑树的键值是进程所谓的虚拟运行时间。一个进程的虚拟运行时间是进程时间运行的时间按整个红黑树中所有的进程数量normalized的结果。

每次tick中断,CFS调度器都要更新进程的虚拟运行时间,然后调整当前进程在红黑树中的位置,调整完成后如果发现当前进程不再是最左边的叶子,就标记need_resched 标志,中断返回时就会调用scheduler()完成进程切换。

最后再说一下,进程的优先级和进程虚拟运行时间的关系。前面提到了,每次tick中断,CFS调度器都要更新进程的虚拟运行时间。那这个时间是怎么计算的呢?CFS首先计算出进程的时间运行时间delta_exec,然后计算normalized后的delta_exec_weighted,最后再将delta_exec_weighted加到进程的虚拟运行时间上。跟进程优先级有关的就是delta_exec_weighted,delta_exec_weighted=delta_exec_weighted*NICE_0_LOAD/se->load,其中NICE_0_LOAD是个常量,而se->load跟进程的nice值成反比,因此进程优先级越高(nice值越小)则se->load越大,则计算出来的delta_exec_weighted越小,这样进程优先级高的进程就可以获得更多的cpu时间。

介绍完CFS调度器,我们开始介绍cpu子系统是如何通过CFS调度器实现的。CFS调度器不仅支持基于进程的调度,还支持基于进程组的组调度。CFS中定义了一个task_group的数据结构来管理组调度。

struct task_group {

struct cgroup_subsys_state css;

 

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED

/* schedulable entities of this group on each cpu */

struct sched_entity **se;

/* runqueue "owned" by this group on each cpu */

struct cfs_rq **cfs_rq;

unsigned long shares;

#endif

 

#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED

struct sched_rt_entity **rt_se;

struct rt_rq **rt_rq;

 

struct rt_bandwidth rt_bandwidth;

#endif

 

struct rcu_head rcu;

struct list_head list;

 

struct task_group *parent;

struct list_head siblings;

struct list_head children;

};

task_group中内嵌了一个cgroup_subsys_state,也就是说进程可以通过cgroup_subsys_state来获取它所在的task_group,同样地cgroup也可以通过cgroup_subsys_state来获取它对应的task_group,因此进程和cgroup都存在了一组cgroup_subsys_state指针。

struct sched_entity **se是一个指针数组,存了一组指向该task_group在每个cpu的调度实体(即一个struct sched_entity)。

struct cfs_rq **cfs_rq也是一个指针数组,存在一组指向该task_group在每个cpu上所拥有的一个可调度的进程队列。

Parent、siblings和children三个指针负责将task_group 连成一颗树,这个跟cgroup树类似。

有了这个数据结构,我们来CFS在调度的时候是怎么处理进程组的。我们还是从CFS对tick中断的处理开始。

CFS对tick中断的处理在task_tick_fair中进行,在task_tick_fair中有:

for_each_sched_entity(se) {

cfs_rq = cfs_rq_of(se);

entity_tick(cfs_rq, se, queued);

}

我们首先来看一下在组调度的情况下,for_each_sched_entity是怎么定义的:

#define for_each_sched_entity(se) 

for (; se; se = se->parent)

即从当前进程的se开始,沿着task_group树从下到上对se调用entity_tick,即更新各个se的虚拟运行时间。

在非组调度情况下,#define for_each_sched_entity(se) 

for (; se; se = NULL)

即只会对当前se做处理。

CFS处理完tick中断后,如果有必要就会进行调度,CFS调度是通过pick_next_task_fair函数选择下一个运行的进程的。在pick_next_task_fair中有:

do {

se = pick_next_entity(cfs_rq);

set_next_entity(cfs_rq, se);

cfs_rq = group_cfs_rq(se);

} while (cfs_rq);

在这个循环中,首先从当前的队列选一个se,这个跟非组调度一样的(红黑树最左边的节点),再将se设置成下一个运行的se,再从该se获取该se对应的task_group拥有的cfs_rq(如果该se对应一个进程而非一个task_group的话,cfs_rq会变成NULL),继续这个过程直到cfs_rq为空,即当se对应的是一个进程。

   简而言之,同一层的task_group跟进程被当成同样的调度实体来选择,当被选到的是task_group时,则对task_group的孩子节点重复这个过程,直到选到一个运行的进程。因此当设置一个cgroup的shares值时,该cgroup当作一个整体和剩下的进程或其他cgroup分享cpu时间。比如,我在根cgroup下建立cgroup A,将其shares值设1024,再建立cgroup B,将其shares设为2048,再将一些进程分别加入到这两个cgroup中,则长期调度的结果应该是A:B:C=1:2:1(即cpu占用时间,其中C是系统中为加入到A或B的进程)。

   引起CFS调度的除了tick中断外,还有就是有新的进程加入可运行队列这种情况。CFS处理这个情况的函数是enqueue_task_fair,在enqueue_task_fair中有:

for_each_sched_entity(se) {

if (se->on_rq)

break;

cfs_rq = cfs_rq_of(se);

enqueue_entity(cfs_rq, se, flags);

flags = ENQUEUE_WAKEUP;

}

我们前面已经看过for_each_sched_entity在组调度下的定义了,这里是将当前se和se的直系祖先节点都加入到红黑树(enqueue_entity),而在非组调度情况下,只需要将当前se本身加入即可。造成这种差异的原因,在于在pick_next_task_fair中选择se时,是从上往下的,如果一个se的祖先节点不在红黑树中,它永远都不会被选中。而在非组调度的情况下,se之间并没有父子关系,所有se都是平等独立,在pick_next_task_fair,第一次选中的肯定就是进程,不需要向下迭代。

类似的处理还发生在将一个se出列(dequeue_task_fair)和put_prev_task_fair中。

以上是cpu系统通过CFS调度器实现以cgroup为单位的cpu时间片分享,下面我们来看一下cpu子系统本身。cpu子系统通过一个cgroup_subsys结构体来管理:

struct cgroup_subsys cpu_cgroup_subsys = {

.name = "cpu",

.create = cpu_cgroup_create,

.destroy = cpu_cgroup_destroy,

.can_attach = cpu_cgroup_can_attach,

.attach = cpu_cgroup_attach,

.populate = cpu_cgroup_populate,

.subsys_id = cpu_cgroup_subsys_id,

.early_init = 1,

};

Cpu_cgroup_subsys其实是对抽象的cgroup_subsys的实现,其中的函数指针指向了特定于cpu子系统的实现。这里再说一下,Cgroups的整体设计。当用户使用cgroup文件系统,创建cgroup的时候,会调用cgroup目录操作的mkdir指针指向的函数,该函数调用了cgroup_create,而cgroup_create会根据该cgroup关联的子系统,分别调用对应的子系统实现的create指针指向的函数。即做了两次转换,一次从系统通用命令到cgroup文件系统,另一次从cgroup文件系统再特定的子系统实现。

Cgroups中除了通用的控制文件外,每个子系统还有自己的控制文件,子系统也是通过cftype来管理这些控制文件。Cpu子系统很重要的一个文件就是cpu.shares文件,因为就是通过这个文件的数值来调节cgroup所占用的cpu时间。Shares文件对应的cftype结构为:

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED

{

.name = "shares",

.read_u64 = cpu_shares_read_u64,

.write_u64 = cpu_shares_write_u64,

},

#endif

当对cgroup目录下的文件进行操作时,该结构体中定义的函数指针指向的函数就会被调用.下面我们就在看看这个两个函数的实现吗,从而发现shares文件的值是如何起作用的。

static u64 cpu_shares_read_u64(struct cgroup *cgrp, struct cftype *cft)

{

struct task_group *tg = cgroup_tg(cgrp);

 

return (u64) tg->shares;

}

比较简单,简单的读取task_group中存储的shares就行了。

static int cpu_shares_write_u64(struct cgroup *cgrp, struct cftype *cftype,

u64 shareval)

{

return sched_group_set_shares(cgroup_tg(cgrp), shareval);

}

则是设定cgroup对应的task_group的shares值。

那这个shares值是怎么起作用的呢?在sched_group_set_shares中有:

tg->shares = shares;

for_each_possible_cpu(i) {

/*

 * force a rebalance

 */

cfs_rq_set_shares(tg->cfs_rq[i], 0);

set_se_shares(tg->se[i], shares);

}

cfs_rq_set_shares强制做一次cpu SMP负载均衡。

真正起作用的是在set_se_shares中,它调用了__set_se_shares,在__set_se_shares中有:

se->load.weight = shares;

se->load.inv_weight = 0;

根据之前我们分析的CFS的调度原理可以知道,load.weight的值越大,算出来的虚拟运行时间越小,进程能使用的cpu时间越多。这样以来,shares值最终就是通过调度实体的load值来起作用的。

PS:从这篇日志开始,将逐一介绍cgroups各个子系统的实现。

我们以上面4行命令为主线进行分析,从一个cgroup使用者的角度来看:
命令1 创建了一个新的cgroup层级(挂载了一个新cgroup文件系统).并且绑定了cpu子系统(subsys),同时创建了该层级的根cgroup.命名为cpu,路径为/cgroup/cpu/.

命令2 在cpu层级(姑且这么叫)通过mkdir新创建一个cgroup节点,命名为cpu_c1.

命令3 将cpu_c1目录下的cpu.shares文件值设为2048,这样在系统出现cpu争抢时,属于cpu_c1这个cgroup的进程占用的cpu资源是其他进程占用cpu资源的2倍.(默认创建的根cgroup该值为1024).

命令4 将pid为7860的这个进程加到cpu_c1这个cgroup.就是说在系统出现cpu争抢时,pid为7860的这个进程占用的cpu资源是其他进程占用cpu资源的2倍.

那么系统在背后做了那些工作呢?下面逐一分析(内核版本3.10).

1.mount -t cgroup -ocpu cpu /cgroup/cpu/

static struct file_system_type cgroup_fs_type = {
    .name = "cgroup",
    .mount = cgroup_mount,
    .kill_sb = cgroup_kill_sb,
    // 其他属性未初始化
};

cgroup模块以cgroup_fs_type实例向内核注册cgroup文件系统,用户层通过mount()系统调用层层调用,最终来到cgroup_mount()函数:

static struct dentry *cgroup_mount(struct file_system_type *fs_type,int flags, const char *unused_dev_name,void *data) {

    ret = parse_cgroupfs_options(data, &opts);      // 解析mount时的参数

    new_root = cgroup_root_from_opts(&opts);        // 根据选项创建一个层级(struct cgroupfs_root)

    sb = sget(fs_type, cgroup_test_super, cgroup_set_super, 0, &opts);     // 创建一个新的超级快(struct super_block)

    ret = rebind_subsystems(root, root->subsys_mask);       // 给层级绑定subsys

    cgroup_populate_dir(root_cgrp, true, root->subsys_mask);    // 创建根cgroup下的各种文件
}

首先解析mount时上层传下的参数,这里就解析到该层级需要绑定cpu subsys统.然后根据参数创建一个层级.跟进到cgroup_root_from_opts()函数:

static struct cgroupfs_root *cgroup_root_from_opts(struct cgroup_sb_opts *opts)
{
    struct cgroupfs_root *root;

    if (!opts->subsys_mask && !opts->none)  // 未指定层级,并且用户曾未明确指定需要空层级return NULL
        return NULL;

    root = kzalloc(sizeof(*root), GFP_KERNEL);  // 申请内存
    if (!root)
        return ERR_PTR(-ENOMEM);

    if (!init_root_id(root)) {          // 初始化层级unique id
        kfree(root);
        return ERR_PTR(-ENOMEM);
    }
    init_cgroup_root(root);         // 创建根cgroup

    root->subsys_mask = opts->subsys_mask;
    root->flags = opts->flags;
    ida_init(&root->cgroup_ida);    // 初始化idr
    if (opts->release_agent)        // 拷贝清理脚本的路径,见后面struct cgroupfs_root说明.
        strcpy(root->release_agent_path, opts->release_agent);
    if (opts->name)                 // 设置name
        strcpy(root->name, opts->name);
    if (opts->cpuset_clone_children)    // 该选项打开,表示当创建子cpuset cgroup时,继承父cpuset cgroup的配置
        set_bit(CGRP_CPUSET_CLONE_CHILDREN, &root->top_cgroup.flags);
    return root;
}

层级结构体:

struct cgroupfs_root {
    struct super_block *sb;     // 超级块指针,最终指向该cgroup文件系统的超级块
    unsigned long subsys_mask;  // 该层级准备绑定的subsys统掩码
    int hierarchy_id;   // 全局唯一的层级ID
    unsigned long actual_subsys_mask;   // 该层级已经绑定的subsys统掩码(估计和上层remount有关吧?暂不深究)
    struct list_head subsys_list;   // subsys统链表,将该层级绑定的所有subsys统连起来.
    struct cgroup top_cgroup;   // 该层级的根cgroup
    int number_of_cgroups;      //该层级下cgroup的数目(层级可以理解为cgroup组成的树)
    struct list_head root_list;     // 层级链表,将系统上所有的层级连起来
    struct list_head allcg_list;    // cgroup链表,将该层级上所有的cgroup连起来???
    unsigned long flags;        // 一些标志().
    struct ida cgroup_ida;      // idr机制,方便查找(暂不深究)
    char release_agent_path[PATH_MAX];  // 清理脚本的路径,对应应用层的根cgroup目录下的release_agent文件
    char name[MAX_CGROUP_ROOT_NAMELEN];     //层级名称
};

接下来创建超级块,在vfs中超级块用来表示一个已安装文件系统的相关信息.跟进到cgroup_root_from_opts()函数:

struct super_block *sget(struct file_system_type *type, int (*test)(struct super_block *,void *), int (*set)(struct super_block *,void *), int flags, void *data)
{
    struct super_block *s = NULL;
    struct super_block *old;
    int err;

retry:
    spin_lock(&sb_lock);
    if (test) {             // 尝试找到一个已存在的sb
        hlist_for_each_entry(old, &type->fs_supers, s_instances) {
            if (!test(old, data))
                continue;
            if (!grab_super(old))
                goto retry;
            if (s) {
                up_write(&s->s_umount);
                destroy_super(s);
                s = NULL;
            }
            return old;
        }
    }
    if (!s) {
        spin_unlock(&sb_lock);
        s = alloc_super(type, flags);  //分配一个新的sb
        if (!s)
            return ERR_PTR(-ENOMEM);
        goto retry;
    }

    err = set(s, data);     // 初始化sb属性
    if (err) {
        spin_unlock(&sb_lock);
        up_write(&s->s_umount);
        destroy_super(s);
        return ERR_PTR(err);
    }
    s->s_type = type;       //该sb所属文件系统类型为cgroup_fs_type
    strlcpy(s->s_id, type->name, sizeof(s->s_id));  // s->s_id = "cgroup"
    list_add_tail(&s->s_list, &super_blocks);    // 加进super_block全局链表
    hlist_add_head(&s->s_instances, &type->fs_supers);  //同一文件系统可挂载多个实例,全部挂到cgroup_fs_type->fs_supers指向的链表中
    spin_unlock(&sb_lock);
    get_filesystem(type);
    register_shrinker(&s->s_shrink);
    return s;
}

超级块结构体类型(属性太多,只列cgroup差异化的,更多内容请参考vfs相关资料):

struct super_block {
    struct list_head    s_list;     // 全局sb链表 
    ...
    struct file_system_type *s_type;    // 所属文件系统类型
    const struct super_operations   *s_op;      // 超级块相关操作
    struct hlist_node   s_instances;        // 同一文件系统的sb链表
    char s_id[32];              //  文本格式的name
    void  *s_fs_info;       //文件系统私有数据,cgroup用其指向层级
};

sget函数里先在已存的链表里查找是否有合适的,没有的话再分配新的sb.err = set(s, data) set是个函数指针,根据上面的代码可以知道最终调用的是cgroup_set_super函数,主要是给新分配的sb赋值.这段代码比较重要,展开看下:

static int cgroup_set_super(struct super_block *sb, void *data)
{
    int ret;
    struct cgroup_sb_opts *opts = data;

    /* If we don't have a new root, we can't set up a new sb */
    if (!opts->new_root)
        return -EINVAL;

    BUG_ON(!opts->subsys_mask && !opts->none);

    ret = set_anon_super(sb, NULL);
    if (ret)
        return ret;

    sb->s_fs_info = opts->new_root;     // super_block的s_fs_info字段指向对应的cgroupfs_root
    opts->new_root->sb = sb;            //cgroupfs_root的sb字段指向super_block

    sb->s_blocksize = PAGE_CACHE_SIZE;
    sb->s_blocksize_bits = PAGE_CACHE_SHIFT;
    sb->s_magic = CGROUP_SUPER_MAGIC;
    sb->s_op = &cgroup_ops;             //super_block的s_op字段指向cgroup_ops,这句比较关键.

    return 0;
}

这样超级块(super_block)和层级(cgroupfs_root)这两个概念就一一对应起来了,并且可以相互索引到.super_block.s_op指向一组函数,这组函数就是该文件系统向上层提供的所有操作.看下cgroup_ops:

static const struct super_operations cgroup_ops = {
    .statfs = simple_statfs,
    .drop_inode = generic_delete_inode,
    .show_options = cgroup_show_options,
    .remount_fs = cgroup_remount,
};

竟然只提供3个操作....常见的文件系统(ext2)都会提供诸如alloc_inode  read_inode等函数供上层操作文件.但是cgroup文件系统不需要这些操作,
很好理解,cgroup是基于memory的文件系统.用不到那些操作.
到这里好多struct已经复出水面,眼花缭乱.画个图理理.

图1
图片 1

继续.创建完超级块后ret = rebind_subsystems(root, root->subsys_mask);根据上层的参数给该层级绑定subsys统(subsys和根cgroup联系起来),看下cgroup_subsys_state,cgroup和cgroup_subsys(子系统)的结构.

struct cgroup_subsys_state {
    struct cgroup *cgroup;  
    atomic_t refcnt;
    unsigned long flags;
    struct css_id __rcu *id;
    struct work_struct dput_work;
};

先看下cgroup_subsys_state.可以认为cgroup_subsys_state是subsys结构体的一个最小化的抽象
各个子系统各有自己的相关结构,cgroup_subsys_state保存各个subsys之间统一的信息,各个subsys的struct内嵌cgroup_subsys_state为第一个元素,通过container_of机制使得cgroup各个具体(cpu mem net io)subsys信息连接起来.

(例如进程调度系统的task_group)见图2

struct cgroup {

    unsigned long flags;        
    struct list_head sibling;   // 兄弟链表
    struct list_head children;  // 孩子链表
    struct list_head files;     // 该cgroup下的文件链表(tasks cpu.shares ....)
    struct cgroup *parent;      // 父cgroup
    struct dentry *dentry;
    struct cgroup_name __rcu *name;
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT]; //指针数组,每个非空元素指向挂载的subsys
    struct cgroupfs_root *root; //根cgroup
    struct list_head css_sets;
    struct list_head pidlists;  // 加到该cgroup下的taskid链表
};

subsys是一个cgroup_subsys_state* 类型的数组,每个元素指向一个具体subsys的cgroup_subsys_state,通过container_of(cgroup_subsys_state)就拿到了具体subsys的控制信息.

struct cgroup_subsys { // 删减版
    struct cgroup_subsys_state *(*css_alloc)(struct cgroup *cgrp);
    int (*css_online)(struct cgroup *cgrp);         // 一堆函数指针,由各个subsys实现.函数名意思比较鲜明
    void (*css_offline)(struct cgroup *cgrp);
    void (*css_free)(struct cgroup *cgrp);
    int (*can_attach)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup_taskset *tset);
    void (*cancel_attach)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup_taskset *tset);
    void (*attach)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup_taskset *tset);
    void (*fork)(struct task_struct *task);
    void (*exit)(struct cgroup *cgrp, struct cgroup *old_cgrp,
             struct task_struct *task);
    void (*bind)(struct cgroup *root);
    int subsys_id;      // subsys id
    int disabled;
    ...
    struct list_head cftsets;       // cftype结构体(参数文件管理结构)链表
    struct cftype *base_cftypes;    // 指向一个cftype数组
    struct cftype_set base_cftset;  //
    struct module *module;
};

cgroup_subsys也是各个subsys的一个抽象,真正的实现由各个subsys实现.可以和cgroup_subsys_state对比下,cgroup_subsys更偏向与描述各个subsys的操作钩子,cgroup_subsys_state则与各个子系统的任务结构关联.
cgroup_subsys是与层级关联的,cgroup_subsys_state是与cgroup关联的。

struct cftype { // 删减版
    char name[MAX_CFTYPE_NAME];
    int private;
    umode_t mode;
    size_t max_write_len;
    unsigned int flags;
    s64 (*read_s64)(struct cgroup *cgrp, struct cftype *cft);
    int (*write_s64)(struct cgroup *cgrp, struct cftype *cft, s64 val);
    ...  
};

cftsets base_cftypes base_cftset这个三个属性保存的是同一份该subsys下对应控制文件的操作方法.只是访问方式不同.
以cpu subsys为例,该subsys下有cpu.shares cpu.cfs_quota_us cpu.cpu_cfs_period_read_u64这些控制文件,每个访问方式都不同.
因此每个文件对应一个struct cftype结构,保存其对应文件名和读写函数.

图2

图片 2
例如用户曾执行echo 1024 >> cpu.shares 最终通过inode.file_operations.cgroup_file_read->cftype.write_s64.
同理,创建子group除了正常的mkdir操作之外,inode.inode_operations.cgroup_mkdir函数内部额外调用上面已经初始化好的钩子,创建新的cgroup.

最后一步,cgroup_populate_dir(root_cgrp, true, root->subsys_mask);就是根据上面已经实例化好的cftype,创建cgroup下每个subsys的所有控制文件

static int cgroup_populate_dir(struct cgroup *cgrp, bool base_files, unsigned long subsys_mask)
{
    int err;
    struct cgroup_subsys *ss;

    if (base_files) {           //基本控制文件
        err = cgroup_addrm_files(cgrp, NULL, files, true);
        if (err < 0)
            return err;
    }

    /* process cftsets of each subsystem */
    for_each_subsys(cgrp->root, ss) {       //每个subsys
        struct cftype_set *set;
        if (!test_bit(ss->subsys_id, &subsys_mask))
            continue;

        list_for_each_entry(set, &ss->cftsets, node)  //每个subsys的每个控制文件
            cgroup_addrm_files(cgrp, ss, set->cfts, true);
    }
    ...
    return 0;
}

显而易见,先初始化了基本的文件,进而初始化每个subsys的每个控制文件.什么是基本文件?

static struct cftype files[] = {
    {
        .name = "tasks",
        .open = cgroup_tasks_open,
        .write_u64 = cgroup_tasks_write,
        .release = cgroup_pidlist_release,
        .mode = S_IRUGO | S_IWUSR,
    },
    {
        .name = CGROUP_FILE_GENERIC_PREFIX "procs",
        .open = cgroup_procs_open,
        .write_u64 = cgroup_procs_write,
        .release = cgroup_pidlist_release,
        .mode = S_IRUGO | S_IWUSR,
    },
    {
        .name = "notify_on_release",
        .read_u64 = cgroup_read_notify_on_release,
        .write_u64 = cgroup_write_notify_on_release,
    },
    {
        .name = CGROUP_FILE_GENERIC_PREFIX "event_control",
        .write_string = cgroup_write_event_control,
        .mode = S_IWUGO,
    },
    {
        .name = "cgroup.clone_children",
        .flags = CFTYPE_INSANE,
        .read_u64 = cgroup_clone_children_read,
        .write_u64 = cgroup_clone_children_write,
    },
    {
        .name = "cgroup.sane_behavior",
        .flags = CFTYPE_ONLY_ON_ROOT,
        .read_seq_string = cgroup_sane_behavior_show,
    },
    {
        .name = "release_agent",
        .flags = CFTYPE_ONLY_ON_ROOT,
        .read_seq_string = cgroup_release_agent_show,
        .write_string = cgroup_release_agent_write,
        .max_write_len = PATH_MAX,
    },
    { } /* terminate */
};

这些文件在用户层应该见过.进到cgroup_create_file()函数看下:

static int cgroup_create_file(struct dentry *dentry, umode_t mode, struct super_block *sb)
{
    struct inode *inode;

    if (!dentry)
        return -ENOENT;
    if (dentry->d_inode)
        return -EEXIST;

    inode = cgroup_new_inode(mode, sb);     // 申请inode
    if (!inode)
        return -ENOMEM;

    if (S_ISDIR(mode)) {        //目录
        inode->i_op = &cgroup_dir_inode_operations; 
        inode->i_fop = &simple_dir_operations;
        ...
    } else if (S_ISREG(mode)) { //文件
        inode->i_size = 0;
        inode->i_fop = &cgroup_file_operations;
        inode->i_op = &cgroup_file_inode_operations;
    }
    d_instantiate(dentry, inode);
    dget(dentry);   /* Extra count - pin the dentry in core */
    return 0;
}

const struct file_operations simple_dir_operations = {
    .open       = dcache_dir_open,
    .release    = dcache_dir_close,
    .llseek     = dcache_dir_lseek,
    .read       = generic_read_dir,
    .readdir    = dcache_readdir,
    .fsync      = noop_fsync,
};

static const struct inode_operations cgroup_dir_inode_operations = {
    .lookup = cgroup_lookup,
    .mkdir = cgroup_mkdir,
    .rmdir = cgroup_rmdir,
    .rename = cgroup_rename,
    .setxattr = cgroup_setxattr,
    .getxattr = cgroup_getxattr,
    .listxattr = cgroup_listxattr,
    .removexattr = cgroup_removexattr,
};

static const struct file_operations cgroup_file_operations = {
    .read = cgroup_file_read,
    .write = cgroup_file_write,
    .llseek = generic_file_llseek,
    .open = cgroup_file_open,
    .release = cgroup_file_release,
};

static const struct inode_operations cgroup_file_inode_operations = {
    .setxattr = cgroup_setxattr,
    .getxattr = cgroup_getxattr,
    .listxattr = cgroup_listxattr,
    .removexattr = cgroup_removexattr,
};

这些回调函数,上面以file_operations.cgroup_file_read  cgroup_dir_inode_operations.cgroup_mkdir举例已经说明.
除了常规vfs的操作,还要执行cgroup机制相关操作.

有点懵,还好说的差不多了.后面会轻松点,也许结合后面看前面,也会轻松些.

2.mkdir cpu_c1
这个简单来说就是分成两个部分,正常vfs创建目录的逻辑,在该目录下创建新的cgroup,集成父cgroup的subsys.
命令贴全[root@VM_109_95_centos /cgroup]#cd cpu/  &&  mkdir cpu_c1
我们是在/cgroup/目录下挂载的新文件系统,对于该cgroup文件系统,/cgroup/就是其根目录(用croot代替吧).
那么在croot目录下mkdir cpu_c1.对于vfs来说,当然是调用croot目录对应inode.i_op.mkdir.

static int cgroup_get_rootdir(struct super_block *sb)
{
    struct inode *inode =
        cgroup_new_inode(S_IFDIR | S_IRUGO | S_IXUGO | S_IWUSR, sb);
    inode->i_fop = &simple_dir_operations;
    inode->i_op = &cgroup_dir_inode_operations;
    return 0;
}

可以看到croot目录项的inode.i_op也被设置为&cgroup_dir_inode_operations,那么mkdir就会调用cgroup_mkdir函数
cgroup_mkdir只是简单的包装,实际工作的函数是cgroup_create()函数.
看下cgroup_create函数(删减版)

static long cgroup_create(struct cgroup *parent, struct dentry *dentry,umode_t mode)
{
    struct cgroup *cgrp;
    struct cgroup_name *name;
    struct cgroupfs_root *root = parent->root;
    int err = 0;
    struct cgroup_subsys *ss;
    struct super_block *sb = root->sb;

    cgrp = kzalloc(sizeof(*cgrp), GFP_KERNEL);  //分配cgroup

    name = cgroup_alloc_name(dentry);
    rcu_assign_pointer(cgrp->name, name);   // 设置名称

    init_cgroup_housekeeping(cgrp);     //cgroup一些成员的初始化

    dentry->d_fsdata = cgrp;        //目录项(dentry)与cgroup关联起来
    cgrp->dentry = dentry;
    cgrp->parent = parent;      // 设置cgroup层级关系
    cgrp->root = parent->root;

    if (notify_on_release(parent))  // 继承父cgroup的CGRP_NOTIFY_ON_RELEASE属性
        set_bit(CGRP_NOTIFY_ON_RELEASE, &cgrp->flags);

    if (test_bit(CGRP_CPUSET_CLONE_CHILDREN, &parent->flags))  // 继承父cgroup的CGRP_CPUSET_CLONE_CHILDREN属性
        set_bit(CGRP_CPUSET_CLONE_CHILDREN, &cgrp->flags);

    for_each_subsys(root, ss) {
        struct cgroup_subsys_state *css;

        css = ss->css_alloc(cgrp);  // mount时各个subsys的钩子函数已经注册,这里直接使用来创建各个subsys的结构(task_group)

        init_cgroup_css(css, ss, cgrp); //初始化cgroup_subsys_state类型的值
        if (ss->use_id) {
            err = alloc_css_id(ss, parent, cgrp);
        }
    }

    err = cgroup_create_file(dentry, S_IFDIR | mode, sb);   //创建该目录项对应的inode,并初始化后与dentry关联上.

    list_add_tail(&cgrp->allcg_node, &root->allcg_list);    // 该cgroup挂到层级的cgroup链表上
    list_add_tail_rcu(&cgrp->sibling, &cgrp->parent->children); // 该cgroup挂到福cgroup的子cgroup链表上.
    ....
    for_each_subsys(root, ss) {         // 将各个subsys的控制结构(task_group)建立父子关系.
        err = online_css(ss, cgrp);
    }

    err = cgroup_populate_dir(cgrp, true, root->subsys_mask);   // 生成该cgroup目录下相关子系统的控制文件
    ...
}

cgroup_create里面做的事情,上面几乎都看过了.不再解释.
css = ss->css_alloc(cgrp);
err = online_css(ss, cgrp);
这两行简单说明下:我们用cgroup来限制机器的cpu mem IO net,但是cgroup本身是没有限制功能的.cgroup更像是内核几大核心子系统为上层提供的入口..
以这个例子来说,我们创建了一个绑定了cpu subsys的cgroup.当我们把某个进程id加到该cgroup的tasks文件中时,
其实是改变了该进程在进程调度系统中的相关参数,从而影响完全公平调度算法和实时调度算法达到限制的目的.
因此在这个例子中,ss->css_alloc虽然返回的是cgroup_subsys_state指针,但其实它创建了task_group.
该结构第一个变量为cgroup_subsys_state.

struct task_group {  //删减版
    struct cgroup_subsys_state css;
    struct sched_entity **se;
    struct cfs_rq **cfs_rq;
    unsigned long shares;
    atomic_t load_weight;
    atomic64_t load_avg;
    atomic_t runnable_avg;
    struct rcu_head rcu;
    struct list_head list;
    struct task_group *parent;
    struct list_head siblings;
    struct list_head children;
};

struct sched_entity {
    struct load_weight  load;       /* for load-balancing */
    struct rb_node      run_node;
    struct list_head    group_node;
    unsigned int        on_rq;
    u64         exec_start;
    u64         sum_exec_runtime;
    u64         vruntime;
    u64         prev_sum_exec_runtime;
    u64         nr_migrations;
};

cpu子系统是通过设置task_group来限制进程的,相应的mem IO子系统也有各自的结构.
不过它们的共性就是第一个变量是cgroup_subsys_state,这样cgroup和子系统控制结构就通过cgroup_subsys_state连接起来.

mount时根cgroup也是要创建这些子系统控制结构的,被我略掉了.

3.echo 2048 >> cpu.shares
上面已经看见了cpu.shares这个文件的inode_i_fop = &cgroup_file_operations,写文件调用cgroup_file_read:

static ssize_t cgroup_file_read(struct file *file, char __user *buf, size_t nbytes, loff_t *ppos)
{
    struct cftype *cft = __d_cft(file->f_dentry);
    struct cgroup *cgrp = __d_cgrp(file->f_dentry->d_parent);

    if (cft->read)
        return cft->read(cgrp, cft, file, buf, nbytes, ppos);
    if (cft->read_u64)
        return cgroup_read_u64(cgrp, cft, file, buf, nbytes, ppos);
    if (cft->read_s64)
        return cgroup_read_s64(cgrp, cft, file, buf, nbytes, ppos);
    return -EINVAL;
}

mount时已经知道每个subsys的每个控制文件的操作函数都是不一样的(通过cftype实现的).我们直接看下cpu.shares文件的操作函数.

static struct cftype cpu_files[] = {
    {
        .name = "shares",
        .read_u64 = cpu_shares_read_u64,
        .write_u64 = cpu_shares_write_u64,
    },
    ...
}

写cpu.shares最终调用cpu_shares_write_u64, 中间几层细节略过.最终执行update_load_set:

static inline void update_load_set(struct load_weight *lw, unsigned long w)
{
    lw->weight = w;
    lw->inv_weight = 0;
}

其中load_weight=task_group.se.load,改变了load_weight.weight,起到了限制该task_group对cpu的使用.

4.echo 7860 >> tasks
过程是类似的,不过tasks文件最终调用的是cgroup_tasks_write这个函数.

static struct cftype files[] = {
    {
        .name = "tasks",
        .open = cgroup_tasks_open,
        .write_u64 = cgroup_tasks_write,
        .release = cgroup_pidlist_release,
        .mode = S_IRUGO | S_IWUSR,
    },
}

cgroup_tasks_write最终调用attach_task_by_pid

static int attach_task_by_pid(struct cgroup *cgrp, u64 pid, bool threadgroup)
{
    struct task_struct *tsk;
    const struct cred *cred = current_cred(), *tcred;
    int ret;
    if (pid) {              //根据pid找到该进程的task_struct
        tsk = find_task_by_vpid(pid);
        if (!tsk) {
            rcu_read_unlock();
            ret= -ESRCH;
            goto out_unlock_cgroup;
        }
    }
    .....
    .....
    ret = cgroup_attach_task(cgrp, tsk, threadgroup);    //将进程关联到cgroup
    return ret;
}

最终通过cgroup_attach_task函数,将进程挂载到响应cgroup.先看几个新的结构体.

struct css_set {
    atomic_t refcount;         //引用计数
    struct hlist_node hlist;   //css_set链表,将系统中所有css_set连接起来.
    struct list_head tasks;    //task链表,链接所有属于这个set的进程
    struct list_head cg_links; // 指向一个cg_cgroup_link链表
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];  // 关联到subsys
    struct rcu_head rcu_head;
};

struct cg_cgroup_link {
    struct list_head cgrp_link_list;   //内嵌到cgroup->css_set链表
    struct cgroup *cgrp;   // 指向对应的cgroup
    struct list_head cg_link_list;     //内嵌到css_set->cg_links链表
    struct css_set *cg;    // 指向对应的css_set
};

struct task_struct {
    struct css_set __rcu *cgroups;  // 指向所属的css_set
    struct list_head cg_list;       // 将同属于一个css_set的task_struct连接起来.
}

css_set感觉像是进程和cgroup机制间的一个桥梁.cg_cgroup_link又将css_set和cgroup多对多的映射起来.
task_struct中并没有直接与cgroup关联,struct css_set __rcu *cgroups指向自己所属的css_set.
这样task和cgroup subsys cgroup都可以互相索引到了.

图3

图片 3

 

进到cgroup_attach_task看看:

struct task_and_cgroup {
    struct task_struct  *task;
    struct cgroup       *cgrp;
    struct css_set      *cg;
};

struct cgroup_taskset {
    struct task_and_cgroup  single;
    struct flex_array   *tc_array;
    int         tc_array_len;
    int         idx;
    struct cgroup       *cur_cgrp;
};

static int cgroup_attach_task(struct cgroup *cgrp, struct task_struct *tsk,
                  bool threadgroup)
{
    int retval, i, group_size;
    struct cgroup_subsys *ss, *failed_ss = NULL;
    struct cgroupfs_root *root = cgrp->root;
    /* threadgroup list cursor and array */
    struct task_struct *leader = tsk;
    struct task_and_cgroup *tc;
    struct flex_array *group;
    struct cgroup_taskset tset = { };

    group = flex_array_alloc(sizeof(*tc), group_size, GFP_KERNEL);
    retval = flex_array_prealloc(group, 0, group_size, GFP_KERNEL);     //预分配内存,考虑到了多线程的进程

    i = 0;
    rcu_read_lock();
    do {                // 兼顾多线程进程,将所有线程的相关信息放在tset里
        struct task_and_cgroup ent;
        ent.task = tsk;
        ent.cgrp = task_cgroup_from_root(tsk, root);
        retval = flex_array_put(group, i, &ent, GFP_ATOMIC);
        BUG_ON(retval != 0);
        i  ;
    next:
        if (!threadgroup)
            break;
    } while_each_thread(leader, tsk);
    rcu_read_unlock();
    group_size = i;
    tset.tc_array = group;
    tset.tc_array_len = group_size;

    for_each_subsys(root, ss) {         //调用每个subsys的方法,判断是否可绑定.
        if (ss->can_attach) {
            retval = ss->can_attach(cgrp, &tset);
            if (retval) {
                failed_ss = ss;
                goto out_cancel_attach;
            }
        }
    }

    for (i = 0; i < group_size; i  ) {      // 为每个task准备(已有或分配)css_set,css_set是多个进程共享.
        tc = flex_array_get(group, i);
        tc->cg = find_css_set(tc->task->cgroups, cgrp);
        if (!tc->cg) {
            retval = -ENOMEM;
            goto out_put_css_set_refs;
        }
    }

    for (i = 0; i < group_size; i  ) {      // 将所有task从old css_set迁移到new css_set.
        tc = flex_array_get(group, i);
        cgroup_task_migrate(tc->cgrp, tc->task, tc->cg);
    }

    for_each_subsys(root, ss) {         // 调用subsys的attach方法,执行绑定.
        if (ss->attach)
            ss->attach(cgrp, &tset);
    }
    retval = 0
    return retval;
}

这里的can_attach和attach由每个subsys实现,这里先不说了.
因为创建层级时会把系统上所有的进程加到根cgroup的tasks中,所以用户层将task加进某个cgroup等同于将task从一个cgroup移到另一个cgriup.
cgroup_task_migrate就是将task与新的cgroup对应的css_set重新映射起来.

如若不对请指出。

参考资料:

  linux-3.10源码

  <linux cgroup详解><zhefwang@gmail.com>连接找不到了

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