Container及其内部进程监控剖析

目前市场上的虚拟化技术种类很多，例如moby(docker)、LXC、RKT等等。在带来方便应用部署和资源充分利用的好处的同时，如何监控相应Container及其内部应用进程成为运维人员不可避免遇到的新情况。UAV.Container从虚拟化技术的基础原理和Linux操作系统的内核特性出发，得到Container容器和内部进程的各维度监控数据，使无论是虚拟机或物理机运维人员，还是业务运维人员角度，都能得到合适的监控维度。

虚拟化技术从基础原理上主要是cgroups、namespace和file system的应用，而操作系统作为cgroup和namespace根节点，无论在container里启动何种应用，从内核角度上来说，肯定在操作系统有其一定的特征和表现形式。我们需要做的就是对这些特征做加工处理，以得到相应的监控数据。

下面我们以docker技术举例，其他虚拟化技术类似。

一、Container ID

Container ID是一个Container的唯一标识。从容器监控的角度我们需要能得到该进程在哪个Container里运行。在操作系统层面，进程的cgroup的挂载情况就能有所体现。如图所示，我们在一个ID为3411554ff684的Container内部跑一个Tomcat进程。

由于Container的pid namespace是操作系统的pid namespace的子namespace，那么该进程在操作系统级也应该有相应的pid，用docker top命令验证一下：

该容器内进程在宿主机上的进程号为1848。接下来进入/proc/1848/cgroup下看看该进程的cgroup挂载情况

从cgroup文件里清楚的显示了实现了该容器的虚拟化技术、Container ID和此container的资源挂载路径，对比一下这里面显示的Container ID，和创建Container时的ID完全相同。这也验证了通过扫描宿主机进程的cgroup信息可以获得Container ID。这样就将pid和Container ID做了关联。

二、CPU

虽然cgroup管控了该cgroup下所有进程的CPU使用情况，但从操作系统的角度上，不论进程是否隶属于某个子cgroup下，仍然是共用宿主机的CPU。所以监控宿主机上该进程的CPU就能得到进程的CPU监控指标。

Linux上常用的CPU监控命令是top。top对CPU监控的原理是在time1时刻获取CPU从启动时的累计总时间countAll1和busy总时间countBusy1，再到time2时刻获取CPU总时间countAll2和busy总时间countBusy2，最后用busy的时间差值减去总时间的差值得到了在time1到time2这个时间段内机器CPU的占用情况。也就是：

CPU占用率(%) = (countBusy2 - countBusy1)/(countAll2 - countAll1) * 100

进程同理，在两个时刻分别得到每个进程的busy总时间countProcBusy1和countProcBusy2，则得到进程CPU占用率：

进程CPU占用率(%) = (countProcBusy2 - countProcBusy1)/(countProcAll2 - countProcAll1)*100

宿主机从启动开始的CPU总时间片可以从/proc/stat下获取：

第一行是总的CPU使用情况，具体参数的意思：

所以，选择当前为time1，3秒后为time2，countAll = user + nice + system + idle + iowait + irq + softirq + stealstolean + guest + guest_nice。countBusy为countAll减去idle的值，这样上面第一个公式的所有需要的值就齐了，可以直接计算。

第二行、第三行是每个逻辑CPU的使用情况，这里记下有两个逻辑CPU，CPU的逻辑核数与CPU显示模式irix和solaris有关。

接下来是countProcBusy的计算，进程的CPU时间片位于/proc/$pid/stat下，如图所示：

这个文件里面体现了很多进程的相关信息。其中第14、15、16、17个参数与CPU有关。

所以，countProcBusy = utime + stime + cutime + cstime，该值包括其所有线程的cpu时间。而countProcAll2-countProcAll1=3s，通过两个时刻的countProcBusy和countProcAll，进程CPU的占用率就能得到了。

其中需要注意的问题有两点：

1) jiffies实际上指的是内核时钟使用的节拍总数，所以这里的jiffies需要换算成秒才能应用上面的除法公式。

2) 刚刚我们谈到CPU显示模式irix和solaris，简单来说irix模式就是机器有N个逻辑CPU，CPU显示上限就是N*100%，solaris模式就是不管机器有多少逻辑CPU，CPU显示上限就是100%，而/proc/$pid/stat显示的是计算了所有逻辑CPU时间的，所以两种显示方式意味着计算方法稍有差异，solaris模式的结果需要在上面进程CPU占用率公式基础之上除以逻辑核数。

三、内存

进程内存的监控有两个维度的数据：一是物理占用内存大小，二是进程内存占用百分比的大小。

进程内存占用率(%) = 进程物理内存占用大小 / 宿主机总内存大小 * 100

与CPU类似，/proc/$pid/status文件记录了进程物理内存使用情况，其中VmRSS即为该进程目前所占实际物理内存的大小。

/proc/meminfo文件下记录了机器内存占用情况，这个文件很长，截取其中的一部分展示一下，MemTotal就是宿主机总内存大小：

这样，这个进程的物理内存占用和机器总内存就都得到了，相应的进程内存的占用率也就得到了。

四、磁盘IO

磁盘IO获取也很简单，/proc/$pid/io已经帮我们把这个进程的io情况记录下来了，但是与CPU类似，io文件里存的也是该进程从启动到现在的io总量，那么：

磁盘I/O(bytes/秒) = (time2时刻I/O – time1时刻I/O) / (time2 – time1)

其中的read_bytes和write_bytes分别为该进程从启动到目前为止的读取字节数和写入字节数，分别取2个时刻的值，根据上面的公式，就得到了该进程的磁盘IO。

五、端口号和连接数

由于Network Namespace对网络做了隔离，所以如果进程在Container内部运行，该进程的端口信息也应该是进程本身监听的端口号，而不是真正实际对外的端口，而Container内外端口的映射机制是由应用的虚拟化技术本身控制的，这就避免不了与实现容器的虚拟化技术打交道了，那么问题就转化成获取容器内进程本身监听的端口了。

/proc/$pid/net/tcp(tcp6,udp,udp6)就对端口号和连接数做了相应的历史记录。这些文件格式都类似，以tcp6举例

解释几个关键的key：

因为st = 0A代表listen，所以从其中挑选出st = 0A的数据，取出对应的inode号，这里这个inode号是socket号，则问题转换为了这个进程是否还存在这个socket号代表的socket。在/proc/$pid/fd下有该进程所有的fd(file descriptor)，截取一段举个例子。

每个文件描述符后面的软链实际上就是打开的文件，以socket开头的就是这个进程打开的socket，在中括号中间的部分就是socket号。拿着这个socket号和上面tcp6里获得的inode号做一个匹配，如果对应上，那么tcp6里的st = 0A的端口就是这个进程监听的。至于容器内外端口的映射，这就需要根据应用的虚拟化技术的映射方法来获取了。连接数计算与端口扫描是同理的，区别只在于需要对st = 01(establish)进行扫描计数累加。

六、总结

• 上面的方法将容器内所有进程的CPU、内存、磁盘IO、端口号和连接数都拿到了。根据Container ID就可以对不同的Container的对应数据做加和，就获得了Container级的监控数据。
• 在容器内的进程是通过在操作系统级别反映出的pid和Container ID的对应关系来关联的。这样就可以通过读取/proc下的文件来获取监控数据。

参考文档：

http://elixir.free-electrons.com/linux/v3.10/ident

作者：周新宇