深入理解Kubernetes資源限制：內存

寫在前面
當我開始大范圍使用Kubernetes的時候，我開始考慮一個我做實驗時沒有遇到的問題：當集群里的節點沒有足夠資源的時候，Pod會卡在Pending狀態。你是沒有辦法給節點增加CPU或者內存的，那么你該怎么做才能將這個Pod從這個節點拿走？最簡單的辦法是添加另一個節點，我承認我總是這么干。最終這個策略無法發揮出Kubernetes最重要的一個能力：即它優化計算資源使用的能力。這些場景里面實際的問題并不是節點太小，而是我們沒有仔細為Pod計算過資源限制。

資源限制是我們可以向Kubernetes提供的諸多配置之一，它意味著兩點：工作負載運行需要哪些資源；最多允許消費多少資源。第一點對于調度器而言十分重要，因為它要以此選擇合適的節點。第二點對于Kubelet非常重要，每個節點上的守護進程Kubelet負責Pod的運行健康狀態。大多數本文的讀者可能對資源限制有一定的了解，實際上這里面有很多有趣的細節。在這個系列的兩篇文章中我會先仔細分析內存資源限制，然后第二篇文章中分析CPU資源限制。

資源限制
資源限制是通過每個容器containerSpec的resources字段進行設置的，它是v1版本的ResourceRequirements類型的API對象。每個指定了"limits"和"requests"的對象都可以控制對應的資源。目前只有CPU和內存兩種資源。第三種資源類型，持久化存儲仍然是beta版本，我會在以后的博客里進行分析。大多數情況下，deployment、statefulset、daemonset的定義里都包含了podSpec和多個containerSpec。這里有個完整的v1資源對象的yaml格式配置：

這個對象可以這么理解：這個容器通常情況下，需要5%的CPU時間和50MiB的內存（requests），同時最多允許它使用10%的CPU時間和100MiB的內存（limits）。我會對requests和limits的區別做進一步講解，但是一般來說，在調度的時候requests比較重要，在運行時limits比較重要。盡管資源限制配置在每個容器上，你可以認為Pod的資源限制就是它里面容器的資源限制之和，我們可以從系統的視角觀察到這種關系。

內存限制
通常情況下分析內存要比分析CPU簡單一些，所以我從這里開始著手。我的一個目標是給大家展示內存在系統中是如何實現的，也就是Kubernetes對容器運行時（docker/containerd）所做的工作，容器運行時對Linux內核所做的工作。從分析內存資源限制開始也為后面分析CPU打好了基礎。首先，讓我們回顧一下前面的例子：

單位后綴Mi表示的是MiB，所以這個資源對象定義了這個容器需要50MiB并且最多能使用100MiB的內存。當然還有其他單位可以進行表示。為了了解如何用這些值是來控制容器進程，我們首先創建一個沒有配置內存限制的Pod:

$ kubectl run limit-test --image=busybox --command -- /bin/sh -c "while true; do sleep 2; done"

deployment.apps "limit-test" created

用Kubectl命令我們可以驗證這個Pod是沒有資源限制的：

$ kubectl get pods limit-test-7cff9996fc-zpjps -o=jsonpath='{.spec.containers[0].resources}'

map[]

Kubernetes最酷的一點是你可以跳到系統以外的角度來觀察每個構成部分，所以我們登錄到運行Pod的節點，看看Docker是如何運行這個容器的：

$ docker ps | grep busy | cut -d' ' -f1

5c3af3101afb

$ docker inspect 5c3af3101afb -f "{{.HostConfig.Memory}}"

這個容器的.HostConfig.Memory域對應了docker run時的--memory參數，0值表示未設定。Docker會對這個值做什么？為了控制容器進程能夠訪問的內存數量，Docker配置了一組control group，或者叫cgroup。Cgroup在2008年1月時合并到Linux 2.6.24版本的內核。它是一個很重要的話題。我們說cgroup是容器的一組用來控制內核如何運行進程的相關屬性集合。針對內存、CPU和各種設備都有對應的cgroup。Cgroup是具有層級的，這意味著每個cgroup擁有一個它可以繼承屬性的父親，往上一直直到系統啟動時創建的root cgroup。

Cgroup可以通過/proc和/sys偽文件系統輕松查看到，所以檢查容器如何配置內存的cgroup就很簡單了。在容器的Pid namespace里，根進程的pid為1，但是namespace以外它呈現的是系統級pid，我們可以用來查找它的cgroups：

*$ ps ax | grep /bin/sh

9513 ? Ss 0:00 /bin/sh -c while true; do sleep 2; done

$ sudo cat /proc/9513/cgroup

...

6:memory:/kubepods/burstable/podfbc202d3-da21-11e8-ab5e-42010a80014b/0a1b22ec1361a97c3511db37a4bae932d41b22264e5b97611748f8b662312574
*
我列出了內存cgroup，這正是我們所關注的。你在路徑里可以看到前面提到的cgroup層級。一些比較重要的點是：首先，這個路徑是以kubepods開始的cgroup，所以我們的進程繼承了這個group的每個屬性，還有burstable的屬性（Kubernetes將Pod設置為burstable QoS類別）和一組用于審計的Pod表示。最后一段路徑是我們進程實際使用的cgroup。我們可以把它追加到/sys/fs/cgroups/memory后面查看更多信息：

$ ls -l /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/burstable/podfbc202d3-da21-11e8-ab5e-42010a80014b/0a1b22ec1361a97c3511db37a4bae932d41b22264e5b97611748f8b662312574

...

-rw-r--r-- 1 root root 0 Oct 27 19:53 memory.limit_in_bytes

-rw-r--r-- 1 root root 0 Oct 27 19:53 memory.soft_limit_in_bytes

再一次，我只列出了我們所關心的記錄。我們暫時不關注memory.soft_limit_in_bytes，而將重點轉移到memory.limit_in_bytes屬性，它設置了內存限制。它等價于Docker命令中的--memory參數，也就是Kubernetes里的內存資源限制。我們看看：

$ sudo cat /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/burstable/podfbc202d3-da21-11e8-ab5e-42010a80014b/0a1b22ec1361a97c3511db37a4bae932d41b22264e5b97611748f8b662312574/memory.limit_in_bytes

9223372036854771712

這是沒有設置資源限制時我的節點上顯示的情況。這里有對它的一個簡單的解釋(https://unix.stackexchange.com/questions/420906/what-is-the-value-for-the-cgroups-limit-in-bytes-if-the-memory-is-not-restricte)。所以我們看到如果沒有在Kubernetes里設置內存限制的話，會導致Docker設置HostConfig.Memory值為0，并進一步導致容器進程被放置在默認值為"no limit"的memory.limit_in_bytes內存cgroup下。我們現在創建使用100MiB內存限制的Pod：

$ kubectl run limit-test --image=busybox --limits "memory=100Mi" --command -- /bin/sh -c "while true; do sleep 2; done"

deployment.apps "limit-test" created

我們再一次使用kubectl驗證我們的資源配置：

$ kubectl get pods limit-test-5f5c7dc87d-8qtdx -o=jsonpath='{.spec.containers[0].resources}'

map[limits:map[memory:100Mi] requests:map[memory:100Mi]]

你會注意到除了我們設置的limits外，Pod還增加了requests。當你設置limits而沒有設置requests時，Kubernetes默認讓requests等于limits。如果你從調度器的角度看這是非常有意義的。我會在下面進一步討論requests。當這個Pod啟動后，我們可以看到Docker如何配置的容器以及這個進程的內存cgroup：

$ docker ps | grep busy | cut -d' ' -f1

8fec6c7b6119

$ docker inspect 8fec6c7b6119 --format '{{.HostConfig.Memory}}'

104857600

$ ps ax | grep /bin/sh

29532 ? Ss 0:00 /bin/sh -c while true; do sleep 2; done

$ sudo cat /proc/29532/cgroup
...
6:memory:/kubepods/burstable/pod88f89108-daf7-11e8-b1e1-42010a800070/8fec6c7b61190e74cd9f88286181dd5fa3bbf9cf33c947574eb61462bc254d11

$ sudo cat /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/burstable/pod88f89108-daf7-11e8-b1e1-42010a800070/8fec6c7b61190e74cd9f88286181dd5fa3bbf9cf33c947574eb61462bc254d11/memory.limit_in_bytes

104857600

正如你所見，Docker基于我們的containerSpec正確地設置了這個進程的內存cgroup。但是這對于運行時意味著什么？Linux內存管理是一個復雜的話題，Kubernetes工程師需要知道的是：當一個宿主機遇到了內存資源壓力時，內核可能會有選擇性地殺死進程。如果一個使用了多于限制內存的進程會有更高幾率被殺死。因為Kubernetes的任務是盡可能多地向這些節點上安排Pod，這會導致節點內存壓力異常。如果你的容器使用了過多內存，那么它很可能會被oom-killed。如果Docker收到了內核的通知，Kubernetes會找到這個容器并依據設置嘗試重啟這個Pod。

所以Kubernetes默認創建的內存requests是什么？擁有一個100MiB的內存請求會影響到cgroup？可能它設置了我們之前看到的memory.soft_limit_in_bytes？讓我們看看：

$ sudo cat /sys/fs/cgroup/memory/kubepods/burstable/pod88f89108-daf7-11e8-b1e1-42010a800070/8fec6c7b61190e74cd9f88286181dd5fa3bbf9cf33c947574eb61462bc254d11/memory.soft_limit_in_bytes

9223372036854771712

你可以看到軟限制仍然被設置為默認值“no limit”。即使Docker支持通過參數--memory-reservation進行設置，但Kubernetes并不支持這個參數。這是否意味著為你的容器指定內存requests并不重要？不，不是的。requests要比limits更重要。limits告訴Linux內核什么時候你的進程可以為了清理空間而被殺死。requests幫助Kubernetes調度找到合適的節點運行Pod。如果不設置它們，或者設置得非常低，那么可能會有不好的影響。

例如，假設你沒有配置內存requests來運行Pod，而配置了一個較高的limits。正如我們所知道的Kubernetes默認會把requests的值指向limits，如果沒有合適的資源的節點的話，Pod可能會調度失敗，即使它實際需要的資源并沒有那么多。另一方面，如果你運行了一個配置了較低requests值的Pod，你其實是在鼓勵內核oom-kill掉它。為什么？假設你的Pod通常使用100MiB內存，你卻只為它配置了50MiB內存requests。如果你有一個擁有75MiB內存空間的節點，那么這個Pod會被調度到這個節點。當Pod內存消耗擴大到100MiB時，會讓這個節點壓力變大，這個時候內核可能會選擇殺掉你的進程。所以我們要正確配置Pod的內存requests和limits。

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