运行时指标

Table of contents

Docker stats

您可以使用 docker stats 命令实时流式传输容器的运行时指标。该命令支持 CPU、内存使用量、内存限制和网络 I/O 指标。

以下是 docker stats 命令的示例输出：

$ docker stats redis1 redis2

CONTAINER           CPU %               MEM USAGE / LIMIT     MEM %               NET I/O             BLOCK I/O
redis1              0.07%               796 KB / 64 MB        1.21%               788 B / 648 B       3.568 MB / 512 KB
redis2              0.07%               2.746 MB / 64 MB      4.29%               1.266 KB / 648 B    12.4 MB / 0 B

有关 docker stats 命令的更多详细信息，请参阅 docker stats 参考页面。

控制组 (Control groups)

Linux 容器依赖于控制组，它不仅跟踪进程组，还暴露关于 CPU、内存和块 I/O 使用情况的指标。您可以访问这些指标并获取网络使用情况指标。这对于“纯” LXC 容器以及 Docker 容器都适用。

控制组通过伪文件系统暴露。在现代发行版中，您应该可以在 /sys/fs/cgroup 下找到此文件系统。在该目录下，您会看到多个子目录，称为 devices、freezer、blkio 等。每个子目录实际上对应于不同的 cgroup 层次结构。

在较旧的系统上，控制组可能挂载在 /cgroup 下，没有不同的层次结构。在这种情况下，您不会看到子目录，而是看到该目录下的一堆文件，以及可能对应于现有容器的一些目录。

要找出控制组的挂载位置，可以运行：

$ grep cgroup /proc/mounts

枚举 cgroups

cgroups 的文件布局在 v1 和 v2 之间有显著差异。

如果您的系统上存在 /sys/fs/cgroup/cgroup.controllers，则您正在使用 v2，否则您正在使用 v1。 请参阅与您的 cgroup 版本相对应的小节。

以下发行版默认使用 cgroup v2：

  • Fedora（自 31 版起）
  • Debian GNU/Linux（自 11 版起）
  • Ubuntu（自 21.10 版起）

cgroup v1

您可以查看 /proc/cgroups 以查看系统已知的不同控制组子系统、它们所属的层次结构以及它们包含的组数。

您也可以查看 /proc/<pid>/cgroup 以查看进程所属的控制组。控制组显示为相对于层次结构挂载点根目录的路径。/ 表示该进程尚未分配给任何组，而 /lxc/pumpkin 表示该进程是名为 pumpkin 的容器的成员。

cgroup v2

在 cgroup v2 主机上，/proc/cgroups 的内容没有意义。 请参阅 /sys/fs/cgroup/cgroup.controllers 以获取可用的控制器。

更改 cgroup 版本

更改 cgroup 版本需要重新启动整个系统。

在基于 systemd 的系统上，可以通过在内核命令行中添加 systemd.unified_cgroup_hierarchy=1 来启用 cgroup v2。 要将 cgroup 版本恢复为 v1，您需要设置 systemd.unified_cgroup_hierarchy=0。

如果您的系统上可用 grubby 命令（例如在 Fedora 上），则可以按如下方式修改命令行：

$ sudo grubby --update-kernel=ALL --args="systemd.unified_cgroup_hierarchy=1"

如果 grubby 命令不可用，请编辑 /etc/default/grub 中的 GRUB_CMDLINE_LINUX 行，然后运行 sudo update-grub。

在 cgroup v2 上运行 Docker

Docker 自 20.10 版起支持 cgroup v2。 在 cgroup v2 上运行 Docker 还需要满足以下条件：

  • containerd：v1.4 或更高版本
  • runc：v1.0.0-rc91 或更高版本
  • 内核：v4.15 或更高版本（推荐 v5.2 或更高版本）

请注意，cgroup v2 模式与 cgroup v1 模式的行为略有不同：

  • 默认的 cgroup 驱动程序 (dockerd --exec-opt native.cgroupdriver) 在 v2 上是 systemd，在 v1 上是 cgroupfs。
  • 默认的 cgroup 命名空间模式 (docker run --cgroupns) 在 v2 上是 private，在 v1 上是 host。
  • docker run 标志 --oom-kill-disable 和 --kernel-memory 在 v2 上会被忽略。

查找给定容器的 cgroup

对于每个容器，会在每个层次结构中创建一个 cgroup。在使用旧版本 LXC 用户空间工具的旧系统上，cgroup 的名称就是容器的名称。使用较新版本的 LXC 工具时，cgroup 是 lxc/<container_name>。

对于使用 cgroups 的 Docker 容器，cgroup 名称是容器的完整 ID 或长 ID。如果容器在 docker ps 中显示为 ae836c95b4c3，其长 ID 可能类似于 ae836c95b4c3c9e9179e0e91015512da89fdec91612f63cebae57df9a5444c79。您可以使用 docker inspect 或 docker ps --no-trunc 查找它。

将所有内容放在一起以查看 Docker 容器的内存指标，请查看以下路径：

  • cgroup v1, cgroupfs 驱动程序：/sys/fs/cgroup/memory/docker/<longid>/
  • cgroup v1, systemd 驱动程序：/sys/fs/cgroup/memory/system.slice/docker-<longid>.scope/
  • cgroup v2, cgroupfs 驱动程序：/sys/fs/cgroup/docker/<longid>/
  • cgroup v2, systemd 驱动程序：/sys/fs/cgroup/system.slice/docker-<longid>.scope/

来自 cgroups 的指标：内存、CPU、块 I/O

Note

本节尚未针对 cgroup v2 进行更新。 有关 cgroup v2 的更多信息，请参阅内核文档。

对于每个子系统（内存、CPU 和块 I/O），存在一个或多个包含统计信息的伪文件。

内存指标：memory.stat

内存指标位于 memory cgroup 中。内存控制组会增加一点开销，因为它对主机上的内存使用情况进行非常细粒度的统计。因此，许多发行版选择默认不启用它。通常，要启用它，您只需添加一些内核命令行参数：cgroup_enable=memory swapaccount=1。

指标位于伪文件 memory.stat 中。 如下所示：

cache 11492564992
rss 1930993664
mapped_file 306728960
pgpgin 406632648
pgpgout 403355412
swap 0
pgfault 728281223
pgmajfault 1724
inactive_anon 46608384
active_anon 1884520448
inactive_file 7003344896
active_file 4489052160
unevictable 32768
hierarchical_memory_limit 9223372036854775807
hierarchical_memsw_limit 9223372036854775807
total_cache 11492564992
total_rss 1930993664
total_mapped_file 306728960
total_pgpgin 406632648
total_pgpgout 403355412
total_swap 0
total_pgfault 728281223
total_pgmajfault 1724
total_inactive_anon 46608384
total_active_anon 1884520448
total_inactive_file 7003344896
total_active_file 4489052160
total_unevictable 32768

前半部分（没有 total_ 前缀）包含与 cgroup 内进程相关的统计信息，不包括子 cgroup。后半部分（带有 total_ 前缀）也包括子 cgroup。

一些指标是“量规”（gauge），即可以增加或减少的值。例如，swap 是 cgroup 成员使用的交换空间量。其他一些是“计数器”（counter），即只能增加的值，因为它们表示特定事件的发生次数。例如，pgfault 表示自 cgroup 创建以来发生的页面错误数。

cache
该控制组的进程使用的、可以精确关联到块设备上块的内存量。当您读取和写入磁盘上的文件时，此量会增加。如果您使用“传统” I/O（open、read、write 系统调用）以及映射文件（使用 mmap），就会出现这种情况。它还计算 tmpfs 挂载使用的内存，尽管原因尚不清楚。
rss
与磁盘上任何内容不对应的内存量：堆栈、堆和匿名内存映射。
mapped_file
表示控制组中进程映射的内存量。它不提供有关使用了多少内存的信息；而是告诉您它是如何使用的。
pgfault, pgmajfault
分别表示 cgroup 的进程触发“页面错误”和“主错误”的次数。当进程访问其虚拟内存空间中不存在或受保护的部分时，就会发生页面错误。前者可能发生在进程存在错误并尝试访问无效地址时（通常会发送 SIGSEGV 信号，通常以著名的 Segmentation fault 消息终止它）。后者可能发生在进程读取已被换出的内存区域，或对应于映射文件的内存区域时：在这种情况下，内核从磁盘加载页面，并让 CPU 完成内存访问。当进程写入写时复制（copy-on-write）内存区域时也可能发生：同样，内核抢占该进程，复制内存页面，并在进程自己的页面副本上恢复写入操作。“主”错误发生在内核实际需要从磁盘读取数据时。当它只是复制现有页面或分配空页面时，就是常规（或“次要”）错误。
swap
该 cgroup 中进程当前使用的交换量。
active_anon, inactive_anon
分别被内核识别为_活动_和_非活动_的匿名内存量。“匿名”内存是_不_链接到磁盘页面的内存。换句话说，它相当于上面描述的 rss 计数器。实际上，rss 计数器的定义是 active_anon + inactive_anon - tmpfs（其中 tmpfs 是该控制组挂载的 tmpfs 文件系统使用的内存量）。那么，“活动”和“非活动”之间有什么区别？页面最初是“活动”的；并且在固定的时间间隔，内核会扫描内存，并将一些页面标记为“非活动”。每当它们再次被访问时，它们会立即重新标记为“活动”。当内核内存几乎耗尽，需要换出到磁盘时，内核会换出“非活动”页面。
active_file, inactive_file
缓存内存，具有与上述 anon 内存类似的_活动_和_非活动_状态。确切的公式是 cache = active_file + inactive_file + tmpfs。内核用于在活动和非活动集之间移动内存页面的确切规则与用于匿名内存的规则不同，但一般原理是相同的。当内核需要回收内存时，从此池中回收干净（=未修改）页面的成本更低，因为它可以立即回收（而匿名页面和脏/修改页面需要先写入磁盘）。
unevictable
无法回收的内存量；通常，它计算已使用 mlock “锁定”的内存。它通常由加密框架使用，以确保密钥和其他敏感材料永远不会被换出到磁盘。
memory_limit, memsw_limit
这些不是真正的指标，而是对此 cgroup 应用的限制的提醒。第一个表示该控制组的进程可以使用的最大物理内存量；第二个表示 RAM+交换的最大量。

页面缓存中的内存统计非常复杂。如果两个不同控制组中的进程都读取同一个文件（最终依赖于磁盘上的相同块），相应的内存费用会在控制组之间分摊。这很好，但也意味着当一个 cgroup 终止时，它可能会增加另一个 cgroup 的内存使用量，因为它们不再为这些内存页面分摊费用。

CPU 指标：cpuacct.stat

既然我们已经介绍了内存指标，其他一切相比之下都变得简单了。CPU 指标位于 cpuacct 控制器中。

对于每个容器，伪文件 cpuacct.stat 包含容器进程累积的 CPU 使用情况，分为 user 和 system 时间。区别在于：

  • user 时间是进程直接控制 CPU 执行进程代码的时间量。
  • system 时间是内核代表进程执行系统调用的时间。

这些时间以 1/100 秒的滴答数（ticks）表示，也称为“用户滴答”（user jiffies）。每秒有 USER_HZ "滴答"，在 x86 系统上，USER_HZ 是 100。历史上，这正好映射到每秒调度器“滴答”的数量，但更高频率的调度和无滴答内核使得滴答数变得无关紧要。

块 I/O 指标

块 I/O 在 blkio 控制器中进行统计。 不同的指标分散在不同的文件中。虽然您可以在内核文档的 blkio-controller 文件中找到深入的细节，但这里列出了最相关的指标：

blkio.sectors
包含 cgroup 成员读取和写入的 512 字节扇区数，按设备区分。读取和写入合并到一个计数器中。
blkio.io_service_bytes
表示 cgroup 读取和写入的字节数。每个设备有 4 个计数器，因为它区分同步与异步 I/O，以及读取与写入。
blkio.io_serviced
执行的 I/O 操作数，无论其大小如何。每个设备也有 4 个计数器。
blkio.io_queued
表示当前为此 cgroup 排队的 I/O 操作数。换句话说，如果 cgroup 没有执行任何 I/O，则为零。反之则不然。换句话说，如果没有 I/O 排队，并不意味着 cgroup 空闲（在 I/O 方面）。它可能正在对一个原本静止的设备进行纯同步读取，因此可以立即处理它们，而无需排队。此外，虽然它有助于找出哪个 cgroup 给 I/O 子系统带来压力，但请记住这是一个相对量。即使进程组没有执行更多的 I/O，其队列大小也可能因为其他设备的设备负载增加而增加。

网络指标

网络指标不是直接由控制组暴露的。有一个很好的解释：网络接口存在于_网络命名空间_的上下文中。内核可能会累积关于进程组发送和接收的数据包和字节的指标，但这些指标不会很有用。您需要每个接口的指标（因为本地 lo 接口上发生的流量实际上不算）。但是，由于单个 cgroup 中的进程可能属于多个网络命名空间，这些指标将更难解释：多个网络命名空间意味着多个 lo 接口，可能还有多个 eth0 接口等；这就是为什么没有简单的方法可以通过控制组收集网络指标。

相反，您可以从其他来源收集网络指标。

iptables

iptables（或者更确切地说，netfilter 框架，iptables 只是其接口）可以进行一些严肃的统计。

例如，您可以设置一个规则来统计 Web 服务器上的出站 HTTP 流量：

$ iptables -I OUTPUT -p tcp --sport 80

没有 -j 或 -g 标志，因此该规则只计算匹配的数据包，然后转到下一个规则。

稍后，您可以使用以下命令检查计数器的值：

$ iptables -nxvL OUTPUT

从技术上讲，-n 不是必需的，但它可以防止 iptables 进行 DNS 反向查找，这在本场景中可能没用。

计数器包括数据包和字节。如果您想为此类容器流量设置指标，可以执行一个 for 循环，为每个容器 IP 地址添加两条 iptables 规则（每个方向一条），在 FORWARD 链中。这只计量经过 NAT 层的流量；您还需要添加经过用户空间代理的流量。

然后，您需要定期检查这些计数器。如果您碰巧使用 collectd，有一个很好的插件可以自动化 iptables 计数器收集。

接口级计数器

由于每个容器都有一个虚拟以太网接口，您可能希望直接检查该接口的 TX 和 RX 计数器。每个容器都与主机中的一个虚拟以太网接口相关联，名称类似于 vethKk8Zqi。不幸的是，找出哪个接口对应哪个容器是很困难的。

但目前，最好的方法是_从容器内部_检查指标。为此，您可以使用 ip-netns magic 从主机环境在容器的网络命名空间中运行一个可执行文件。

ip-netns exec 命令允许您在当前进程可见的任何网络命名空间中执行任何程序（存在于主机系统中）。这意味着您的主机可以进入容器的网络命名空间，但您的容器不能访问主机或其他对等容器。不过，容器可以与其子容器交互。

该命令的确切格式是：

$ ip netns exec <nsname> <command...>

例如：

$ ip netns exec mycontainer netstat -i

ip netns 通过使用命名空间伪文件来查找 mycontainer 容器。每个进程属于一个网络命名空间、一个 PID 命名空间、一个 mnt 命名空间等，这些命名空间在 /proc/<pid>/ns/ 下具体化。例如，PID 42 的网络命名空间由伪文件 /proc/42/ns/net 具体化。

当您运行 ip netns exec mycontainer ... 时，它期望 /var/run/netns/mycontainer 是这些伪文件之一。（接受符号链接。）

换句话说，要在容器的网络命名空间中执行命令，我们需要：

  • 找出我们要调查的容器内任何进程的 PID；
  • 从 /var/run/netns/<somename> 创建一个指向 /proc/<thepid>/ns/net 的符号链接
  • 执行 ip netns exec <somename> ....

回顾枚举 Cgroups 以了解如何查找您要测量其网络使用情况的容器内进程的 cgroup。从那里，您可以检查名为 tasks 的伪文件，它包含 cgroup 中的所有 PID（因此也在容器中）。选择其中任何一个 PID。

将所有内容放在一起，如果容器的“短 ID”保存在环境变量 $CID 中，那么您可以这样做：

$ TASKS=/sys/fs/cgroup/devices/docker/$CID*/tasks
$ PID=$(head -n 1 $TASKS)
$ mkdir -p /var/run/netns
$ ln -sf /proc/$PID/ns/net /var/run/netns/$CID
$ ip netns exec $CID netstat -i

高性能指标收集技巧

每次更新指标时运行一个新进程是（相对）昂贵的。如果您想以高分辨率和/或在大量容器上（假设单台主机上有 1000 个容器）收集指标，您不希望每次都派生一个新进程。

以下是如何从单个进程收集指标。您需要用 C 语言（或任何允许您进行低级系统调用的语言）编写您的指标收集器。您需要使用一个特殊的系统调用 setns()，它允许当前进程进入任何任意的命名空间。但是，它需要一个指向命名空间伪文件的打开文件描述符（记住：那是 /proc/<pid>/ns/net 中的伪文件）。

但是，有一个陷阱：您不能保持此文件描述符打开。如果您这样做，当控制组的最后一个进程退出时，命名空间不会被销毁，其网络资源（如容器的虚拟接口）将永远存在（或者直到您关闭该文件描述符）。

正确的方法是跟踪每个容器的第一个 PID，并在每次需要时重新打开命名空间伪文件。

在容器退出时收集指标

有时，您不关心实时指标收集，但当容器退出时，您想知道它使用了多少 CPU、内存等。

Docker 使这变得困难，因为它依赖于 lxc-start，后者会仔细地清理自身。通常更容易的方法是定期收集指标，这就是 collectd LXC 插件的工作方式。

但是，如果您仍然希望在容器停止时收集统计信息，方法如下：

对于每个容器，启动一个收集进程，并通过将其 PID 写入 cgroup 的 tasks 文件，将其移动到您要监视的控制组。收集进程应定期重新读取 tasks 文件，以检查它是否是控制组中最后一个进程。（如果您还想收集上一节中解释的网络统计信息，您还应该将进程移动到适当的网络命名空间。）

当容器退出时，lxc-start 会尝试删除控制组。它会失败，因为控制组仍在使用中；但这没关系。您的进程现在应该检测到它是组中唯一剩下的进程。现在是收集您需要的所有指标的正确时机！

最后，您的进程应将自身移回根控制组，并删除容器控制组。要删除控制组，只需 rmdir 其目录。对一个仍然包含文件的目录进行 rmdir 操作是违反直觉的；但请记住，这是一个伪文件系统，因此常规规则不适用。清理完成后，收集进程可以安全退出。