Merge branch 'next' into for-linus
[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. Delegation
21   4-1. Model of delegation
22   4-2. Common ancestor rule
23 5. Other Changes
24   5-1. [Un]populated Notification
25   5-2. Other Core Changes
26   5-3. Per-Controller Changes
27     5-3-1. blkio
28     5-3-2. cpuset
29     5-3-3. memory
30 6. Planned Changes
31   6-1. CAP for resource control
32
33
34 1. Background
35
36 cgroup allows an arbitrary number of hierarchies and each hierarchy
37 can host any number of controllers.  While this seems to provide a
38 high level of flexibility, it isn't quite useful in practice.
39
40 For example, as there is only one instance of each controller, utility
41 type controllers such as freezer which can be useful in all
42 hierarchies can only be used in one.  The issue is exacerbated by the
43 fact that controllers can't be moved around once hierarchies are
44 populated.  Another issue is that all controllers bound to a hierarchy
45 are forced to have exactly the same view of the hierarchy.  It isn't
46 possible to vary the granularity depending on the specific controller.
47
48 In practice, these issues heavily limit which controllers can be put
49 on the same hierarchy and most configurations resort to putting each
50 controller on its own hierarchy.  Only closely related ones, such as
51 the cpu and cpuacct controllers, make sense to put on the same
52 hierarchy.  This often means that userland ends up managing multiple
53 similar hierarchies repeating the same steps on each hierarchy
54 whenever a hierarchy management operation is necessary.
55
56 Unfortunately, support for multiple hierarchies comes at a steep cost.
57 Internal implementation in cgroup core proper is dazzlingly
58 complicated but more importantly the support for multiple hierarchies
59 restricts how cgroup is used in general and what controllers can do.
60
61 There's no limit on how many hierarchies there may be, which means
62 that a task's cgroup membership can't be described in finite length.
63 The key may contain any varying number of entries and is unlimited in
64 length, which makes it highly awkward to handle and leads to addition
65 of controllers which exist only to identify membership, which in turn
66 exacerbates the original problem.
67
68 Also, as a controller can't have any expectation regarding what shape
69 of hierarchies other controllers would be on, each controller has to
70 assume that all other controllers are operating on completely
71 orthogonal hierarchies.  This makes it impossible, or at least very
72 cumbersome, for controllers to cooperate with each other.
73
74 In most use cases, putting controllers on hierarchies which are
75 completely orthogonal to each other isn't necessary.  What usually is
76 called for is the ability to have differing levels of granularity
77 depending on the specific controller.  In other words, hierarchy may
78 be collapsed from leaf towards root when viewed from specific
79 controllers.  For example, a given configuration might not care about
80 how memory is distributed beyond a certain level while still wanting
81 to control how CPU cycles are distributed.
82
83 Unified hierarchy is the next version of cgroup interface.  It aims to
84 address the aforementioned issues by having more structure while
85 retaining enough flexibility for most use cases.  Various other
86 general and controller-specific interface issues are also addressed in
87 the process.
88
89
90 2. Basic Operation
91
92 2-1. Mounting
93
94 Currently, unified hierarchy can be mounted with the following mount
95 command.  Note that this is still under development and scheduled to
96 change soon.
97
98  mount -t cgroup -o __DEVEL__sane_behavior cgroup $MOUNT_POINT
99
100 All controllers which support the unified hierarchy and are not bound
101 to other hierarchies are automatically bound to unified hierarchy and
102 show up at the root of it.  Controllers which are enabled only in the
103 root of unified hierarchy can be bound to other hierarchies.  This
104 allows mixing unified hierarchy with the traditional multiple
105 hierarchies in a fully backward compatible way.
106
107 For development purposes, the following boot parameter makes all
108 controllers to appear on the unified hierarchy whether supported or
109 not.
110
111  cgroup__DEVEL__legacy_files_on_dfl
112
113 A controller can be moved across hierarchies only after the controller
114 is no longer referenced in its current hierarchy.  Because per-cgroup
115 controller states are destroyed asynchronously and controllers may
116 have lingering references, a controller may not show up immediately on
117 the unified hierarchy after the final umount of the previous
118 hierarchy.  Similarly, a controller should be fully disabled to be
119 moved out of the unified hierarchy and it may take some time for the
120 disabled controller to become available for other hierarchies;
121 furthermore, due to dependencies among controllers, other controllers
122 may need to be disabled too.
123
124 While useful for development and manual configurations, dynamically
125 moving controllers between the unified and other hierarchies is
126 strongly discouraged for production use.  It is recommended to decide
127 the hierarchies and controller associations before starting using the
128 controllers.
129
130
131 2-2. cgroup.subtree_control
132
133 All cgroups on unified hierarchy have a "cgroup.subtree_control" file
134 which governs which controllers are enabled on the children of the
135 cgroup.  Let's assume a hierarchy like the following.
136
137   root - A - B - C
138                \ D
139
140 root's "cgroup.subtree_control" file determines which controllers are
141 enabled on A.  A's on B.  B's on C and D.  This coincides with the
142 fact that controllers on the immediate sub-level are used to
143 distribute the resources of the parent.  In fact, it's natural to
144 assume that resource control knobs of a child belong to its parent.
145 Enabling a controller in a "cgroup.subtree_control" file declares that
146 distribution of the respective resources of the cgroup will be
147 controlled.  Note that this means that controller enable states are
148 shared among siblings.
149
150 When read, the file contains a space-separated list of currently
151 enabled controllers.  A write to the file should contain a
152 space-separated list of controllers with '+' or '-' prefixed (without
153 the quotes).  Controllers prefixed with '+' are enabled and '-'
154 disabled.  If a controller is listed multiple times, the last entry
155 wins.  The specific operations are executed atomically - either all
156 succeed or fail.
157
158
159 2-3. cgroup.controllers
160
161 Read-only "cgroup.controllers" file contains a space-separated list of
162 controllers which can be enabled in the cgroup's
163 "cgroup.subtree_control" file.
164
165 In the root cgroup, this lists controllers which are not bound to
166 other hierarchies and the content changes as controllers are bound to
167 and unbound from other hierarchies.
168
169 In non-root cgroups, the content of this file equals that of the
170 parent's "cgroup.subtree_control" file as only controllers enabled
171 from the parent can be used in its children.
172
173
174 3. Structural Constraints
175
176 3-1. Top-down
177
178 As it doesn't make sense to nest control of an uncontrolled resource,
179 all non-root "cgroup.subtree_control" files can only contain
180 controllers which are enabled in the parent's "cgroup.subtree_control"
181 file.  A controller can be enabled only if the parent has the
182 controller enabled and a controller can't be disabled if one or more
183 children have it enabled.
184
185
186 3-2. No internal tasks
187
188 One long-standing issue that cgroup faces is the competition between
189 tasks belonging to the parent cgroup and its children cgroups.  This
190 is inherently nasty as two different types of entities compete and
191 there is no agreed-upon obvious way to handle it.  Different
192 controllers are doing different things.
193
194 The cpu controller considers tasks and cgroups as equivalents and maps
195 nice levels to cgroup weights.  This works for some cases but falls
196 flat when children should be allocated specific ratios of CPU cycles
197 and the number of internal tasks fluctuates - the ratios constantly
198 change as the number of competing entities fluctuates.  There also are
199 other issues.  The mapping from nice level to weight isn't obvious or
200 universal, and there are various other knobs which simply aren't
201 available for tasks.
202
203 The blkio controller implicitly creates a hidden leaf node for each
204 cgroup to host the tasks.  The hidden leaf has its own copies of all
205 the knobs with "leaf_" prefixed.  While this allows equivalent control
206 over internal tasks, it's with serious drawbacks.  It always adds an
207 extra layer of nesting which may not be necessary, makes the interface
208 messy and significantly complicates the implementation.
209
210 The memory controller currently doesn't have a way to control what
211 happens between internal tasks and child cgroups and the behavior is
212 not clearly defined.  There have been attempts to add ad-hoc behaviors
213 and knobs to tailor the behavior to specific workloads.  Continuing
214 this direction will lead to problems which will be extremely difficult
215 to resolve in the long term.
216
217 Multiple controllers struggle with internal tasks and came up with
218 different ways to deal with it; unfortunately, all the approaches in
219 use now are severely flawed and, furthermore, the widely different
220 behaviors make cgroup as whole highly inconsistent.
221
222 It is clear that this is something which needs to be addressed from
223 cgroup core proper in a uniform way so that controllers don't need to
224 worry about it and cgroup as a whole shows a consistent and logical
225 behavior.  To achieve that, unified hierarchy enforces the following
226 structural constraint:
227
228  Except for the root, only cgroups which don't contain any task may
229  have controllers enabled in their "cgroup.subtree_control" files.
230
231 Combined with other properties, this guarantees that, when a
232 controller is looking at the part of the hierarchy which has it
233 enabled, tasks are always only on the leaves.  This rules out
234 situations where child cgroups compete against internal tasks of the
235 parent.
236
237 There are two things to note.  Firstly, the root cgroup is exempt from
238 the restriction.  Root contains tasks and anonymous resource
239 consumption which can't be associated with any other cgroup and
240 requires special treatment from most controllers.  How resource
241 consumption in the root cgroup is governed is up to each controller.
242
243 Secondly, the restriction doesn't take effect if there is no enabled
244 controller in the cgroup's "cgroup.subtree_control" file.  This is
245 important as otherwise it wouldn't be possible to create children of a
246 populated cgroup.  To control resource distribution of a cgroup, the
247 cgroup must create children and transfer all its tasks to the children
248 before enabling controllers in its "cgroup.subtree_control" file.
249
250
251 4. Delegation
252
253 4-1. Model of delegation
254
255 A cgroup can be delegated to a less privileged user by granting write
256 access of the directory and its "cgroup.procs" file to the user.  Note
257 that the resource control knobs in a given directory concern the
258 resources of the parent and thus must not be delegated along with the
259 directory.
260
261 Once delegated, the user can build sub-hierarchy under the directory,
262 organize processes as it sees fit and further distribute the resources
263 it got from the parent.  The limits and other settings of all resource
264 controllers are hierarchical and regardless of what happens in the
265 delegated sub-hierarchy, nothing can escape the resource restrictions
266 imposed by the parent.
267
268 Currently, cgroup doesn't impose any restrictions on the number of
269 cgroups in or nesting depth of a delegated sub-hierarchy; however,
270 this may in the future be limited explicitly.
271
272
273 4-2. Common ancestor rule
274
275 On the unified hierarchy, to write to a "cgroup.procs" file, in
276 addition to the usual write permission to the file and uid match, the
277 writer must also have write access to the "cgroup.procs" file of the
278 common ancestor of the source and destination cgroups.  This prevents
279 delegatees from smuggling processes across disjoint sub-hierarchies.
280
281 Let's say cgroups C0 and C1 have been delegated to user U0 who created
282 C00, C01 under C0 and C10 under C1 as follows.
283
284  ~~~~~~~~~~~~~ - C0 - C00
285  ~ cgroup    ~      \ C01
286  ~ hierarchy ~
287  ~~~~~~~~~~~~~ - C1 - C10
288
289 C0 and C1 are separate entities in terms of resource distribution
290 regardless of their relative positions in the hierarchy.  The
291 resources the processes under C0 are entitled to are controlled by
292 C0's ancestors and may be completely different from C1.  It's clear
293 that the intention of delegating C0 to U0 is allowing U0 to organize
294 the processes under C0 and further control the distribution of C0's
295 resources.
296
297 On traditional hierarchies, if a task has write access to "tasks" or
298 "cgroup.procs" file of a cgroup and its uid agrees with the target, it
299 can move the target to the cgroup.  In the above example, U0 will not
300 only be able to move processes in each sub-hierarchy but also across
301 the two sub-hierarchies, effectively allowing it to violate the
302 organizational and resource restrictions implied by the hierarchical
303 structure above C0 and C1.
304
305 On the unified hierarchy, let's say U0 wants to write the pid of a
306 process which has a matching uid and is currently in C10 into
307 "C00/cgroup.procs".  U0 obviously has write access to the file and
308 migration permission on the process; however, the common ancestor of
309 the source cgroup C10 and the destination cgroup C00 is above the
310 points of delegation and U0 would not have write access to its
311 "cgroup.procs" and thus be denied with -EACCES.
312
313
314 5. Other Changes
315
316 5-1. [Un]populated Notification
317
318 cgroup users often need a way to determine when a cgroup's
319 subhierarchy becomes empty so that it can be cleaned up.  cgroup
320 currently provides release_agent for it; unfortunately, this mechanism
321 is riddled with issues.
322
323 - It delivers events by forking and execing a userland binary
324   specified as the release_agent.  This is a long deprecated method of
325   notification delivery.  It's extremely heavy, slow and cumbersome to
326   integrate with larger infrastructure.
327
328 - There is single monitoring point at the root.  There's no way to
329   delegate management of a subtree.
330
331 - The event isn't recursive.  It triggers when a cgroup doesn't have
332   any tasks or child cgroups.  Events for internal nodes trigger only
333   after all children are removed.  This again makes it impossible to
334   delegate management of a subtree.
335
336 - Events are filtered from the kernel side.  A "notify_on_release"
337   file is used to subscribe to or suppress release events.  This is
338   unnecessarily complicated and probably done this way because event
339   delivery itself was expensive.
340
341 Unified hierarchy implements an interface file "cgroup.populated"
342 which can be used to monitor whether the cgroup's subhierarchy has
343 tasks in it or not.  Its value is 0 if there is no task in the cgroup
344 and its descendants; otherwise, 1.  poll and [id]notify events are
345 triggered when the value changes.
346
347 This is significantly lighter and simpler and trivially allows
348 delegating management of subhierarchy - subhierarchy monitoring can
349 block further propagation simply by putting itself or another process
350 in the subhierarchy and monitor events that it's interested in from
351 there without interfering with monitoring higher in the tree.
352
353 In unified hierarchy, the release_agent mechanism is no longer
354 supported and the interface files "release_agent" and
355 "notify_on_release" do not exist.
356
357
358 5-2. Other Core Changes
359
360 - None of the mount options is allowed.
361
362 - remount is disallowed.
363
364 - rename(2) is disallowed.
365
366 - The "tasks" file is removed.  Everything should at process
367   granularity.  Use the "cgroup.procs" file instead.
368
369 - The "cgroup.procs" file is not sorted.  pids will be unique unless
370   they got recycled in-between reads.
371
372 - The "cgroup.clone_children" file is removed.
373
374
375 5-3. Per-Controller Changes
376
377 5-3-1. blkio
378
379 - blk-throttle becomes properly hierarchical.
380
381
382 5-3-2. cpuset
383
384 - Tasks are kept in empty cpusets after hotplug and take on the masks
385   of the nearest non-empty ancestor, instead of being moved to it.
386
387 - A task can be moved into an empty cpuset, and again it takes on the
388   masks of the nearest non-empty ancestor.
389
390
391 5-3-3. memory
392
393 - use_hierarchy is on by default and the cgroup file for the flag is
394   not created.
395
396 - The original lower boundary, the soft limit, is defined as a limit
397   that is per default unset.  As a result, the set of cgroups that
398   global reclaim prefers is opt-in, rather than opt-out.  The costs
399   for optimizing these mostly negative lookups are so high that the
400   implementation, despite its enormous size, does not even provide the
401   basic desirable behavior.  First off, the soft limit has no
402   hierarchical meaning.  All configured groups are organized in a
403   global rbtree and treated like equal peers, regardless where they
404   are located in the hierarchy.  This makes subtree delegation
405   impossible.  Second, the soft limit reclaim pass is so aggressive
406   that it not just introduces high allocation latencies into the
407   system, but also impacts system performance due to overreclaim, to
408   the point where the feature becomes self-defeating.
409
410   The memory.low boundary on the other hand is a top-down allocated
411   reserve.  A cgroup enjoys reclaim protection when it and all its
412   ancestors are below their low boundaries, which makes delegation of
413   subtrees possible.  Secondly, new cgroups have no reserve per
414   default and in the common case most cgroups are eligible for the
415   preferred reclaim pass.  This allows the new low boundary to be
416   efficiently implemented with just a minor addition to the generic
417   reclaim code, without the need for out-of-band data structures and
418   reclaim passes.  Because the generic reclaim code considers all
419   cgroups except for the ones running low in the preferred first
420   reclaim pass, overreclaim of individual groups is eliminated as
421   well, resulting in much better overall workload performance.
422
423 - The original high boundary, the hard limit, is defined as a strict
424   limit that can not budge, even if the OOM killer has to be called.
425   But this generally goes against the goal of making the most out of
426   the available memory.  The memory consumption of workloads varies
427   during runtime, and that requires users to overcommit.  But doing
428   that with a strict upper limit requires either a fairly accurate
429   prediction of the working set size or adding slack to the limit.
430   Since working set size estimation is hard and error prone, and
431   getting it wrong results in OOM kills, most users tend to err on the
432   side of a looser limit and end up wasting precious resources.
433
434   The memory.high boundary on the other hand can be set much more
435   conservatively.  When hit, it throttles allocations by forcing them
436   into direct reclaim to work off the excess, but it never invokes the
437   OOM killer.  As a result, a high boundary that is chosen too
438   aggressively will not terminate the processes, but instead it will
439   lead to gradual performance degradation.  The user can monitor this
440   and make corrections until the minimal memory footprint that still
441   gives acceptable performance is found.
442
443   In extreme cases, with many concurrent allocations and a complete
444   breakdown of reclaim progress within the group, the high boundary
445   can be exceeded.  But even then it's mostly better to satisfy the
446   allocation from the slack available in other groups or the rest of
447   the system than killing the group.  Otherwise, memory.max is there
448   to limit this type of spillover and ultimately contain buggy or even
449   malicious applications.
450
451 - The original control file names are unwieldy and inconsistent in
452   many different ways.  For example, the upper boundary hit count is
453   exported in the memory.failcnt file, but an OOM event count has to
454   be manually counted by listening to memory.oom_control events, and
455   lower boundary / soft limit events have to be counted by first
456   setting a threshold for that value and then counting those events.
457   Also, usage and limit files encode their units in the filename.
458   That makes the filenames very long, even though this is not
459   information that a user needs to be reminded of every time they type
460   out those names.
461
462   To address these naming issues, as well as to signal clearly that
463   the new interface carries a new configuration model, the naming
464   conventions in it necessarily differ from the old interface.
465
466 - The original limit files indicate the state of an unset limit with a
467   Very High Number, and a configured limit can be unset by echoing -1
468   into those files.  But that very high number is implementation and
469   architecture dependent and not very descriptive.  And while -1 can
470   be understood as an underflow into the highest possible value, -2 or
471   -10M etc. do not work, so it's not consistent.
472
473   memory.low, memory.high, and memory.max will use the string "max" to
474   indicate and set the highest possible value.
475
476 6. Planned Changes
477
478 6-1. CAP for resource control
479
480 Unified hierarchy will require one of the capabilities(7), which is
481 yet to be decided, for all resource control related knobs.  Process
482 organization operations - creation of sub-cgroups and migration of
483 processes in sub-hierarchies may be delegated by changing the
484 ownership and/or permissions on the cgroup directory and
485 "cgroup.procs" interface file; however, all operations which affect
486 resource control - writes to a "cgroup.subtree_control" file or any
487 controller-specific knobs - will require an explicit CAP privilege.
488
489 This, in part, is to prevent the cgroup interface from being
490 inadvertently promoted to programmable API used by non-privileged
491 binaries.  cgroup exposes various aspects of the system in ways which
492 aren't properly abstracted for direct consumption by regular programs.
493 This is an administration interface much closer to sysctl knobs than
494 system calls.  Even the basic access model, being filesystem path
495 based, isn't suitable for direct consumption.  There's no way to
496 access "my cgroup" in a race-free way or make multiple operations
497 atomic against migration to another cgroup.
498
499 Another aspect is that, for better or for worse, the cgroup interface
500 goes through far less scrutiny than regular interfaces for
501 unprivileged userland.  The upside is that cgroup is able to expose
502 useful features which may not be suitable for general consumption in a
503 reasonable time frame.  It provides a relatively short path between
504 internal details and userland-visible interface.  Of course, this
505 shortcut comes with high risk.  We go through what we go through for
506 general kernel APIs for good reasons.  It may end up leaking internal
507 details in a way which can exert significant pain by locking the
508 kernel into a contract that can't be maintained in a reasonable
509 manner.
510
511 Also, due to the specific nature, cgroup and its controllers don't
512 tend to attract attention from a wide scope of developers.  cgroup's
513 short history is already fraught with severely mis-designed
514 interfaces, unnecessary commitments to and exposing of internal
515 details, broken and dangerous implementations of various features.
516
517 Keeping cgroup as an administration interface is both advantageous for
518 its role and imperative given its nature.  Some of the cgroup features
519 may make sense for unprivileged access.  If deemed justified, those
520 must be further abstracted and implemented as a different interface,
521 be it a system call or process-private filesystem, and survive through
522 the scrutiny that any interface for general consumption is required to
523 go through.
524
525 Requiring CAP is not a complete solution but should serve as a
526 significant deterrent against spraying cgroup usages in non-privileged
527 programs.