深入理解Kubernetes资源限制：内存

写在前面
当我开始大范围使用Kubernetes的时候，我开始考虑一个我做实验时没有遇到的问题：当集群里的节点没有足够资源的时候，Pod会卡在Pending状态。你是没有办法给节点增加CPU或者内存的，那么你该怎么做才能将这个Pod从这个节点拿走？最简单的办法是添加另一个节点，我承认我总是这么干。最终这个策略无法发挥出Kubernetes最重要的一个能力：即它优化计算资源使用的能力。这些场景里面实际的问题并不是节点太小，而是我们没有仔细为Pod计算过资源限制。

资源限制是我们可以向Kubernetes提供的诸多配置之一，它意味着两点：工作负载运行需要哪些资源；最多允许消费多少资源。第一点对于调度器而言十分重要，因为它要以此选择合适的节点。第二点对于Kubelet非常重要，每个节点上的守护进程Kubelet负责Pod的运行健康状态。大多数本文的读者可能对资源限制有一定的了解，实际上这里面有很多有趣的细节。在这个系列的两篇文章中我会先仔细分析内存资源限制，然后第二篇文章中分析CPU资源限制。

资源限制
资源限制是通过每个容器containerSpec的resources字段进行设置的，它是v1版本的ResourceRequirements类型的API对象。每个指定了"limits"和"requests"的对象都可以控制对应的资源。目前只有CPU和内存两种资源。第三种资源类型，持久化存储仍然是beta版本，我会在以后的博客里进行分析。大多数情况下，deployment、statefulset、daemonset的定义里都包含了podSpec和多个containerSpec。这里有个完整的v1资源对象的yaml格式配置：

这个对象可以这么理解：这个容器通常情况下，需要5%的CPU时间和50MiB的内存（requests），同时最多允许它使用10%的CPU时间和100MiB的内存（limits）。我会对requests和limits的区别做进一步讲解，但是一般来说，在调度的时候requests比较重要，在运行时limits比较重要。尽管资源限制配置在每个容器上，你可以认为Pod的资源限制就是它里面容器的资源限制之和，我们可以从系统的视角观察到这种关系。

内存限制
通常情况下分析内存要比分析CPU简单一些，所以我从这里开始着手。我的一个目标是给大家展示内存在系统中是如何实现的，也就是Kubernetes对容器运行时（docker/containerd）所做的工作，容器运行时对Linux内核所做的工作。从分析内存资源限制开始也为后面分析CPU打好了基础。首先，让我们回顾一下前面的例子：

单位后缀Mi表示的是MiB，所以这个资源对象定义了这个容器需要50MiB并且最多能使用100MiB的内存。当然还有其他单位可以进行表示。为了了解如何用这些值是来控制容器进程，我们首先创建一个没有配置内存限制的Pod:

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

deployment.apps "limit-test" created

用Kubectl命令我们可以验证这个Pod是没有资源限制的：

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

map[]

Kubernetes最酷的一点是你可以跳到系统以外的角度来观察每个构成部分，所以我们登录到运行Pod的节点，看看Docker是如何运行这个容器的：

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

5c3af3101afb

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

这个容器的.HostConfig.Memory域对应了docker run时的--memory参数，0值表示未设定。Docker会对这个值做什么？为了控制容器进程能够访问的内存数量，Docker配置了一组control group，或者叫cgroup。Cgroup在2008年1月时合并到Linux 2.6.24版本的内核。它是一个很重要的话题。我们说cgroup是容器的一组用来控制内核如何运行进程的相关属性集合。针对内存、CPU和各种设备都有对应的cgroup。Cgroup是具有层级的，这意味着每个cgroup拥有一个它可以继承属性的父亲，往上一直直到系统启动时创建的root cgroup。

Cgroup可以通过/proc和/sys伪文件系统轻松查看到，所以检查容器如何配置内存的cgroup就很简单了。在容器的Pid namespace里，根进程的pid为1，但是namespace以外它呈现的是系统级pid，我们可以用来查找它的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
*
我列出了内存cgroup，这正是我们所关注的。你在路径里可以看到前面提到的cgroup层级。一些比较重要的点是：首先，这个路径是以kubepods开始的cgroup，所以我们的进程继承了这个group的每个属性，还有burstable的属性（Kubernetes将Pod设置为burstable QoS类别）和一组用于审计的Pod表示。最后一段路径是我们进程实际使用的cgroup。我们可以把它追加到/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，我只列出了我们所关心的记录。我们暂时不关注memory.soft_limit_in_bytes，而将重点转移到memory.limit_in_bytes属性，它设置了内存限制。它等价于Docker命令中的--memory参数，也就是Kubernetes里的内存资源限制。我们看看：

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

9223372036854771712

这是没有设置资源限制时我的节点上显示的情况。这里有对它的一个简单的解释(https://unix.stackexchange.com/questions/420906/what-is-the-value-for-the-cgroups-limit-in-bytes-if-the-memory-is-not-restricte)。所以我们看到如果没有在Kubernetes里设置内存限制的话，会导致Docker设置HostConfig.Memory值为0，并进一步导致容器进程被放置在默认值为"no limit"的memory.limit_in_bytes内存cgroup下。我们现在创建使用100MiB内存限制的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

我们再一次使用kubectl验证我们的资源配置：

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

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

你会注意到除了我们设置的limits外，Pod还增加了requests。当你设置limits而没有设置requests时，Kubernetes默认让requests等于limits。如果你从调度器的角度看这是非常有意义的。我会在下面进一步讨论requests。当这个Pod启动后，我们可以看到Docker如何配置的容器以及这个进程的内存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

正如你所见，Docker基于我们的containerSpec正确地设置了这个进程的内存cgroup。但是这对于运行时意味着什么？Linux内存管理是一个复杂的话题，Kubernetes工程师需要知道的是：当一个宿主机遇到了内存资源压力时，内核可能会有选择性地杀死进程。如果一个使用了多于限制内存的进程会有更高几率被杀死。因为Kubernetes的任务是尽可能多地向这些节点上安排Pod，这会导致节点内存压力异常。如果你的容器使用了过多内存，那么它很可能会被oom-killed。如果Docker收到了内核的通知，Kubernetes会找到这个容器并依据设置尝试重启这个Pod。

所以Kubernetes默认创建的内存requests是什么？拥有一个100MiB的内存请求会影响到cgroup？可能它设置了我们之前看到的memory.soft_limit_in_bytes？让我们看看：

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

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你可以看到软限制仍然被设置为默认值“no limit”。即使Docker支持通过参数--memory-reservation进行设置，但Kubernetes并不支持这个参数。这是否意味着为你的容器指定内存requests并不重要？不，不是的。requests要比limits更重要。limits告诉Linux内核什么时候你的进程可以为了清理空间而被杀死。requests帮助Kubernetes调度找到合适的节点运行Pod。如果不设置它们，或者设置得非常低，那么可能会有不好的影响。

例如，假设你没有配置内存requests来运行Pod，而配置了一个较高的limits。正如我们所知道的Kubernetes默认会把requests的值指向limits，如果没有合适的资源的节点的话，Pod可能会调度失败，即使它实际需要的资源并没有那么多。另一方面，如果你运行了一个配置了较低requests值的Pod，你其实是在鼓励内核oom-kill掉它。为什么？假设你的Pod通常使用100MiB内存，你却只为它配置了50MiB内存requests。如果你有一个拥有75MiB内存空间的节点，那么这个Pod会被调度到这个节点。当Pod内存消耗扩大到100MiB时，会让这个节点压力变大，这个时候内核可能会选择杀掉你的进程。所以我们要正确配置Pod的内存requests和limits。

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