一个资源管理系统的设计--解析linux的cgroup实现

将实体打散成不可再分的微粒，这样就可以使设计灵活化，最大限度的减少数据冗余。以CRM系统为例，虽然管理是基于一组控制元素而不是一个控制元素的，设计的时候还是以一个控制元素为基础。
     linux的cgroup系统可谓是一个典范，它轻量地实现了诸如solaris的“容器”的概念，也许也是对linux本身“命名空间”的一种冲击。它是分层的，也可以说是树形的结构，一个“控制组”拥有一个ROOT，每一个ROOT控制一组元素，在这个ROOT当中可以建立很多的“组”(cgroup)，每一个组还可以建立下级的组...。每新建一个cgroup必须确定一组它关心的cgroup_subsys，比如cpuset，memory，ns等，怎么确定呢？这是通过文件系统的mount实现的，当你执行：
mount -t cgroup cgroup -o cpuset memory my
的时候，你就建立一个ROOT，这个ROOT包含所有的进程，然后你可以在my目录中执行mkdir group1 group2，这样就建立了两个cgroup，实际上，当你mount的时候，系统就建立了一个虚拟的组group-root，如果你执行cat my/tasks，你会发现它包含了所有的进程，如果你执行cat my/group1/tasks，你会发现它是空的，因为还没有任何的进程被加入进去。现在执行echo 761>my/group1/tasks，那么pid为761的进程将被加入到group1，通过修改group1目录下的文件就可以对这个group1中当前tasks文件中包含的所有的进程进行控制了。这一切是如何实现的？实际上linux内核代码的cgroup子系统实现了类似数据库的结构，包括表结构和查询引擎，通过阅读代码可以看出，每一个进程task包含一个css_set类型的字段：
struct css_set {
    struct kref ref;
    struct hlist_node hlist;
    struct list_head tasks;      //解决冗余，包含所有使用这个set的进程
    struct list_head cg_links;   //解决冗余，包含所有参与管理这个set的cgroup。
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT];
};
既然它被一组subsys控制，为何不直接将每个subsys本身包含在task中呢？这是为了解决数据冗余的问题，因为其他的进程也可以受这些subsys控制。
     有必要说一下上面的css_set结构中的cg_links字段，它包含了所有的参与管理这个set的cgroup，为何会这样呢？难道一个set不是由一个cgroup管理的吗？不是的，要知道管理是基于“一组”subsys的，而这一组并不一定是全部的编译进内核也就是内核支持的subsys。比如你分别用-o参数cpu，memory...mount了5个cgroup文件系统，那么一个进程关联的css_set就会由5个cgroup管理，每一个mount的ROOT会管理一个，这个ROOT会用文件系统的方式管理进程分别属于该ROOT的哪个cgroup。
     下面看一下cgroup_subsys_state，这个结构可以看作静态cgroup_subsys结构的动态实例，静态的cgroup_subsys中包含了一些通用的方法，而动态的cgroup_subsys_state则仅仅是一个父类，具体的数据和额外的方法通过继承它来实现，比如：
struct mem_cgroup {
    struct cgroup_subsys_state css;
    struct res_counter res;
    struct mem_cgroup_lru_info info;
    int    prev_priority;    /* for recording reclaim priority */
    struct mem_cgroup_stat stat;
};
任何时候，只要你得到了一个cgroup_subsys_state，并且根据其subsys_id确认它是关于memory的，那么就可以通过：
static inline struct cgroup_subsys_state *task_subsys_state(
    struct task_struct *task, int subsys_id)
{
    return rcu_dereference(task->cgroups->subsys[subsys_id]);
}
和
container_of(task_subsys_state(p, mem_cgroup_subsys_id), struct mem_cgroup, css);
来取得这个可被称为子类实例的mem_cgroup，接下来就可以操作它的数据了。终于可以看一下cgroup_subsys_state了：
struct cgroup_subsys_state {
    struct cgroup *cgroup;
    atomic_t refcnt;
    unsigned long flags;
};
这个结构很简单，cgroup是它绑定的一个cgroup实例，从名称上也可以看出cgroup_subsys_state结构是动态的，它表示进程的subsys的state，由于它是被cgroup管理的，因此它也只能有一个cgroup与其绑定。
     接下来看一下cgroup结构，这好像是一个重量级的结构，其实不然，它仅仅起到一个粘合的作用，换句话说就是管理者：
struct cgroup {
    unsigned long flags;         
    atomic_t count;
    struct list_head sibling;     //此和以下几个实现了树型结构
    struct list_head children;     
    struct cgroup *parent;     
    struct dentry *dentry;         
    struct cgroup_subsys_state *subsys[CGROUP_SUBSYS_COUNT]; //这里仅包含对应ROOT相关的subsys
    struct cgroupfs_root *root;     //对应的那个ROOT
    struct cgroup *top_cgroup;
    struct list_head css_sets;    //包含所有的它参与管理的css_set
    struct list_head release_list;
}
前面提到过，进程要显式加入一个ROOT的cgroup，在加入的时候可能会为进程绑定一个新的css_set(必须保证css_set的subsys数组完全相同才能重用，如果之前没有这样的css_set建立，只好新建立一个)，只要绑定了一个新的css_set，这个set就要加入到cgroup的css_sets链表中，最简单的可以在css_set中添加一个字段用于此目的，与此同时cgroup中也要增加一个list_head结构用来链接css_set的cg_links字段，这样做为何不好呢？它增加了两个数据结构的耦合性，同时也增加了数据的冗余性，因为一个cgroup的ROOT负责一组subsys，一个进程也是和一组subsys关联，因此只需要一个进程的一组subsys中被同一个ROOT管理的第一个加入到cgroup链表中就可以表示一个进程受到了这个cgroup的管理，比如进程p1加入group1，该group1的ROOT管理cpu和memory，那么其css_set的subsys数组中只需要cpu_id的这个subsys加入cgroup的css_sets链表就可以了，为了代码的简单，因此引入了一个中间结构，那就是cg_cgroup_link：
struct cg_cgroup_link {
    struct list_head cgrp_link_list;    //代表一个css_set加入到cgroup
    struct list_head cg_link_list;        //代表一个cgroup加入到css_set
    struct css_set *cg;            //指回css_set
    ...  //后续的内核还要指回cgroup，这里的内核是2.6.26
};
在此必须说一下为何要有cg_cgroup_link这个结构体。如果在css_set中和cgroup中直接加入链表元素是解决不了多对多问题的，比如所有参与管理一个css_set的cgroup都将其链表元素加入 css_set的链表，反过来css_set的链表元素也应该加入一个cgroup的链表，代表它是该cgroup管理的css_set之一，现在问题来了，前面说过一个css_set可以属于很多ROOT，那么它到底加入哪个cgroup的链表呢？毕竟css_set和cgroup之间是如此单项一对多的关系耦合，因此解除耦合的办法就是设计一个中间结构，那就是cg_cgroup_link。
     很多时候，很多人在网上写了一大堆关于分析“linux内核”的文章，很多文章都是仅仅分析代码流程，但是很少有文章能说明为何这么做(除非文章的作者着手提交一个补丁或者其它...)。其实linux内核就是一个数据库设计的教程，它不但展示了表结构，而且还有查询引擎，故而linux内核绝对是绝妙的哦！比如在input子系统中，input_handle这个结构体也是和cg_cgroup_link意义一样的，也是为了解决多对多的问题而设置的，还有一个明显的例子，那就是linux内核中的总线驱动架构。
     由此看来，学习linux内核可以学到两大当今时髦的东西，一个就是OO，另一个就是数据库的设计，千万不要以为linux内核仅仅是底层的东西，搞应用的人不用学习，其实各个领域是相通的，我相信，当一个顶级的文学家听说了广义相对论的时候，他也一定会提出一些自己的看法的。我经常看历史著作，那些作者们看起来对任何领域都很感兴趣...
附：看一下cgroup的静态数据结构们吧
首先看一下一个静态的超类，那就是cgroup_subsys，它包含了一系列的接口，但是没有实现！
struct cgroup_subsys {
    struct cgroup_subsys_state *(*create)(struct cgroup_subsys *ss,
                          struct cgroup *cgrp);
    ...//类似的接口
    int subsys_id;
    int active;
    int disabled;
    int early_init;
#define MAX_CGROUP_TYPE_NAMELEN 32
    const char *name;
    struct cgroupfs_root *root;
    struct list_head sibling; //用于挂载一系列的state
    void *private;            //用于扩展
};
每一个挂载(mount)的cgroup文件系统都有一个cgroupfs_root实例：
struct cgroupfs_root {
    struct super_block *sb;
    unsigned long subsys_bits;
    unsigned long actual_subsys_bits;
    struct list_head subsys_list;      //本ROOT关注的subsys
    struct cgroup top_cgroup;
    int number_of_cgroups;
    struct list_head root_list;
    unsigned long flags;
    char release_agent_path[PATH_MAX];
};