Merge remote-tracking branch 'regulator/topic/core' into regulator-next
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / cgroups / unified-hierarchy.txt
1
2 Cgroup unified hierarchy
3
4 April, 2014             Tejun Heo <tj@kernel.org>
5
6 This document describes the changes made by unified hierarchy and
7 their rationales.  It will eventually be merged into the main cgroup
8 documentation.
9
10 CONTENTS
11
12 1. Background
13 2. Basic Operation
14   2-1. Mounting
15   2-2. cgroup.subtree_control
16   2-3. cgroup.controllers
17 3. Structural Constraints
18   3-1. Top-down
19   3-2. No internal tasks
20 4. Other Changes
21   4-1. [Un]populated Notification
22   4-2. Other Core Changes
23   4-3. Per-Controller Changes
24     4-3-1. blkio
25     4-3-2. cpuset
26     4-3-3. memory
27 5. Planned Changes
28   5-1. CAP for resource control
29
30
31 1. Background
32
33 cgroup allows an arbitrary number of hierarchies and each hierarchy
34 can host any number of controllers.  While this seems to provide a
35 high level of flexibility, it isn't quite useful in practice.
36
37 For example, as there is only one instance of each controller, utility
38 type controllers such as freezer which can be useful in all
39 hierarchies can only be used in one.  The issue is exacerbated by the
40 fact that controllers can't be moved around once hierarchies are
41 populated.  Another issue is that all controllers bound to a hierarchy
42 are forced to have exactly the same view of the hierarchy.  It isn't
43 possible to vary the granularity depending on the specific controller.
44
45 In practice, these issues heavily limit which controllers can be put
46 on the same hierarchy and most configurations resort to putting each
47 controller on its own hierarchy.  Only closely related ones, such as
48 the cpu and cpuacct controllers, make sense to put on the same
49 hierarchy.  This often means that userland ends up managing multiple
50 similar hierarchies repeating the same steps on each hierarchy
51 whenever a hierarchy management operation is necessary.
52
53 Unfortunately, support for multiple hierarchies comes at a steep cost.
54 Internal implementation in cgroup core proper is dazzlingly
55 complicated but more importantly the support for multiple hierarchies
56 restricts how cgroup is used in general and what controllers can do.
57
58 There's no limit on how many hierarchies there may be, which means
59 that a task's cgroup membership can't be described in finite length.
60 The key may contain any varying number of entries and is unlimited in
61 length, which makes it highly awkward to handle and leads to addition
62 of controllers which exist only to identify membership, which in turn
63 exacerbates the original problem.
64
65 Also, as a controller can't have any expectation regarding what shape
66 of hierarchies other controllers would be on, each controller has to
67 assume that all other controllers are operating on completely
68 orthogonal hierarchies.  This makes it impossible, or at least very
69 cumbersome, for controllers to cooperate with each other.
70
71 In most use cases, putting controllers on hierarchies which are
72 completely orthogonal to each other isn't necessary.  What usually is
73 called for is the ability to have differing levels of granularity
74 depending on the specific controller.  In other words, hierarchy may
75 be collapsed from leaf towards root when viewed from specific
76 controllers.  For example, a given configuration might not care about
77 how memory is distributed beyond a certain level while still wanting
78 to control how CPU cycles are distributed.
79
80 Unified hierarchy is the next version of cgroup interface.  It aims to
81 address the aforementioned issues by having more structure while
82 retaining enough flexibility for most use cases.  Various other
83 general and controller-specific interface issues are also addressed in
84 the process.
85
86
87 2. Basic Operation
88
89 2-1. Mounting
90
91 Currently, unified hierarchy can be mounted with the following mount
92 command.  Note that this is still under development and scheduled to
93 change soon.
94
95  mount -t cgroup -o __DEVEL__sane_behavior cgroup $MOUNT_POINT
96
97 All controllers which are not bound to other hierarchies are
98 automatically bound to unified hierarchy and show up at the root of
99 it.  Controllers which are enabled only in the root of unified
100 hierarchy can be bound to other hierarchies at any time.  This allows
101 mixing unified hierarchy with the traditional multiple hierarchies in
102 a fully backward compatible way.
103
104
105 2-2. cgroup.subtree_control
106
107 All cgroups on unified hierarchy have a "cgroup.subtree_control" file
108 which governs which controllers are enabled on the children of the
109 cgroup.  Let's assume a hierarchy like the following.
110
111   root - A - B - C
112                \ D
113
114 root's "cgroup.subtree_control" file determines which controllers are
115 enabled on A.  A's on B.  B's on C and D.  This coincides with the
116 fact that controllers on the immediate sub-level are used to
117 distribute the resources of the parent.  In fact, it's natural to
118 assume that resource control knobs of a child belong to its parent.
119 Enabling a controller in a "cgroup.subtree_control" file declares that
120 distribution of the respective resources of the cgroup will be
121 controlled.  Note that this means that controller enable states are
122 shared among siblings.
123
124 When read, the file contains a space-separated list of currently
125 enabled controllers.  A write to the file should contain a
126 space-separated list of controllers with '+' or '-' prefixed (without
127 the quotes).  Controllers prefixed with '+' are enabled and '-'
128 disabled.  If a controller is listed multiple times, the last entry
129 wins.  The specific operations are executed atomically - either all
130 succeed or fail.
131
132
133 2-3. cgroup.controllers
134
135 Read-only "cgroup.controllers" file contains a space-separated list of
136 controllers which can be enabled in the cgroup's
137 "cgroup.subtree_control" file.
138
139 In the root cgroup, this lists controllers which are not bound to
140 other hierarchies and the content changes as controllers are bound to
141 and unbound from other hierarchies.
142
143 In non-root cgroups, the content of this file equals that of the
144 parent's "cgroup.subtree_control" file as only controllers enabled
145 from the parent can be used in its children.
146
147
148 3. Structural Constraints
149
150 3-1. Top-down
151
152 As it doesn't make sense to nest control of an uncontrolled resource,
153 all non-root "cgroup.subtree_control" files can only contain
154 controllers which are enabled in the parent's "cgroup.subtree_control"
155 file.  A controller can be enabled only if the parent has the
156 controller enabled and a controller can't be disabled if one or more
157 children have it enabled.
158
159
160 3-2. No internal tasks
161
162 One long-standing issue that cgroup faces is the competition between
163 tasks belonging to the parent cgroup and its children cgroups.  This
164 is inherently nasty as two different types of entities compete and
165 there is no agreed-upon obvious way to handle it.  Different
166 controllers are doing different things.
167
168 The cpu controller considers tasks and cgroups as equivalents and maps
169 nice levels to cgroup weights.  This works for some cases but falls
170 flat when children should be allocated specific ratios of CPU cycles
171 and the number of internal tasks fluctuates - the ratios constantly
172 change as the number of competing entities fluctuates.  There also are
173 other issues.  The mapping from nice level to weight isn't obvious or
174 universal, and there are various other knobs which simply aren't
175 available for tasks.
176
177 The blkio controller implicitly creates a hidden leaf node for each
178 cgroup to host the tasks.  The hidden leaf has its own copies of all
179 the knobs with "leaf_" prefixed.  While this allows equivalent control
180 over internal tasks, it's with serious drawbacks.  It always adds an
181 extra layer of nesting which may not be necessary, makes the interface
182 messy and significantly complicates the implementation.
183
184 The memory controller currently doesn't have a way to control what
185 happens between internal tasks and child cgroups and the behavior is
186 not clearly defined.  There have been attempts to add ad-hoc behaviors
187 and knobs to tailor the behavior to specific workloads.  Continuing
188 this direction will lead to problems which will be extremely difficult
189 to resolve in the long term.
190
191 Multiple controllers struggle with internal tasks and came up with
192 different ways to deal with it; unfortunately, all the approaches in
193 use now are severely flawed and, furthermore, the widely different
194 behaviors make cgroup as whole highly inconsistent.
195
196 It is clear that this is something which needs to be addressed from
197 cgroup core proper in a uniform way so that controllers don't need to
198 worry about it and cgroup as a whole shows a consistent and logical
199 behavior.  To achieve that, unified hierarchy enforces the following
200 structural constraint:
201
202  Except for the root, only cgroups which don't contain any task may
203  have controllers enabled in their "cgroup.subtree_control" files.
204
205 Combined with other properties, this guarantees that, when a
206 controller is looking at the part of the hierarchy which has it
207 enabled, tasks are always only on the leaves.  This rules out
208 situations where child cgroups compete against internal tasks of the
209 parent.
210
211 There are two things to note.  Firstly, the root cgroup is exempt from
212 the restriction.  Root contains tasks and anonymous resource
213 consumption which can't be associated with any other cgroup and
214 requires special treatment from most controllers.  How resource
215 consumption in the root cgroup is governed is up to each controller.
216
217 Secondly, the restriction doesn't take effect if there is no enabled
218 controller in the cgroup's "cgroup.subtree_control" file.  This is
219 important as otherwise it wouldn't be possible to create children of a
220 populated cgroup.  To control resource distribution of a cgroup, the
221 cgroup must create children and transfer all its tasks to the children
222 before enabling controllers in its "cgroup.subtree_control" file.
223
224
225 4. Other Changes
226
227 4-1. [Un]populated Notification
228
229 cgroup users often need a way to determine when a cgroup's
230 subhierarchy becomes empty so that it can be cleaned up.  cgroup
231 currently provides release_agent for it; unfortunately, this mechanism
232 is riddled with issues.
233
234 - It delivers events by forking and execing a userland binary
235   specified as the release_agent.  This is a long deprecated method of
236   notification delivery.  It's extremely heavy, slow and cumbersome to
237   integrate with larger infrastructure.
238
239 - There is single monitoring point at the root.  There's no way to
240   delegate management of a subtree.
241
242 - The event isn't recursive.  It triggers when a cgroup doesn't have
243   any tasks or child cgroups.  Events for internal nodes trigger only
244   after all children are removed.  This again makes it impossible to
245   delegate management of a subtree.
246
247 - Events are filtered from the kernel side.  A "notify_on_release"
248   file is used to subscribe to or suppress release events.  This is
249   unnecessarily complicated and probably done this way because event
250   delivery itself was expensive.
251
252 Unified hierarchy implements an interface file "cgroup.populated"
253 which can be used to monitor whether the cgroup's subhierarchy has
254 tasks in it or not.  Its value is 0 if there is no task in the cgroup
255 and its descendants; otherwise, 1.  poll and [id]notify events are
256 triggered when the value changes.
257
258 This is significantly lighter and simpler and trivially allows
259 delegating management of subhierarchy - subhierarchy monitoring can
260 block further propagation simply by putting itself or another process
261 in the subhierarchy and monitor events that it's interested in from
262 there without interfering with monitoring higher in the tree.
263
264 In unified hierarchy, the release_agent mechanism is no longer
265 supported and the interface files "release_agent" and
266 "notify_on_release" do not exist.
267
268
269 4-2. Other Core Changes
270
271 - None of the mount options is allowed.
272
273 - remount is disallowed.
274
275 - rename(2) is disallowed.
276
277 - The "tasks" file is removed.  Everything should at process
278   granularity.  Use the "cgroup.procs" file instead.
279
280 - The "cgroup.procs" file is not sorted.  pids will be unique unless
281   they got recycled in-between reads.
282
283 - The "cgroup.clone_children" file is removed.
284
285
286 4-3. Per-Controller Changes
287
288 4-3-1. blkio
289
290 - blk-throttle becomes properly hierarchical.
291
292
293 4-3-2. cpuset
294
295 - Tasks are kept in empty cpusets after hotplug and take on the masks
296   of the nearest non-empty ancestor, instead of being moved to it.
297
298 - A task can be moved into an empty cpuset, and again it takes on the
299   masks of the nearest non-empty ancestor.
300
301
302 4-3-3. memory
303
304 - use_hierarchy is on by default and the cgroup file for the flag is
305   not created.
306
307
308 5. Planned Changes
309
310 5-1. CAP for resource control
311
312 Unified hierarchy will require one of the capabilities(7), which is
313 yet to be decided, for all resource control related knobs.  Process
314 organization operations - creation of sub-cgroups and migration of
315 processes in sub-hierarchies may be delegated by changing the
316 ownership and/or permissions on the cgroup directory and
317 "cgroup.procs" interface file; however, all operations which affect
318 resource control - writes to a "cgroup.subtree_control" file or any
319 controller-specific knobs - will require an explicit CAP privilege.
320
321 This, in part, is to prevent the cgroup interface from being
322 inadvertently promoted to programmable API used by non-privileged
323 binaries.  cgroup exposes various aspects of the system in ways which
324 aren't properly abstracted for direct consumption by regular programs.
325 This is an administration interface much closer to sysctl knobs than
326 system calls.  Even the basic access model, being filesystem path
327 based, isn't suitable for direct consumption.  There's no way to
328 access "my cgroup" in a race-free way or make multiple operations
329 atomic against migration to another cgroup.
330
331 Another aspect is that, for better or for worse, the cgroup interface
332 goes through far less scrutiny than regular interfaces for
333 unprivileged userland.  The upside is that cgroup is able to expose
334 useful features which may not be suitable for general consumption in a
335 reasonable time frame.  It provides a relatively short path between
336 internal details and userland-visible interface.  Of course, this
337 shortcut comes with high risk.  We go through what we go through for
338 general kernel APIs for good reasons.  It may end up leaking internal
339 details in a way which can exert significant pain by locking the
340 kernel into a contract that can't be maintained in a reasonable
341 manner.
342
343 Also, due to the specific nature, cgroup and its controllers don't
344 tend to attract attention from a wide scope of developers.  cgroup's
345 short history is already fraught with severely mis-designed
346 interfaces, unnecessary commitments to and exposing of internal
347 details, broken and dangerous implementations of various features.
348
349 Keeping cgroup as an administration interface is both advantageous for
350 its role and imperative given its nature.  Some of the cgroup features
351 may make sense for unprivileged access.  If deemed justified, those
352 must be further abstracted and implemented as a different interface,
353 be it a system call or process-private filesystem, and survive through
354 the scrutiny that any interface for general consumption is required to
355 go through.
356
357 Requiring CAP is not a complete solution but should serve as a
358 significant deterrent against spraying cgroup usages in non-privileged
359 programs.