foon's 작업실

다음으로 소개할 방법은 cgroup을 이용하는 방법이다.

Cgroup (control group)은 리눅스 커널이 제공하는 시스템의 자원 사용률을 그룹별로 제어하기 위한 방법이다.

이 또한 sysfs 인터페이스를 통해 사용 가능한데, 기존 cgroup v1과 Linux 4.5.x 때부터(정확한지는 모르겠지만 이때쯤) 지원하기 시작한 cgroup v2 두 종류가 있다. 사용방법이 사뭇 다르므로 정확한 용법은 커널 도큐먼트(Documentation/cgroup-v2.txt)를 확인해 보는 것이 좋다. 

일단 아무데나 원하는 위치에 디렉토리를 만들고, 다음과 같이 cgroup sysfs를 마운트하자.

# mkdir cgroup

# mount -t cgroup2 none ./cgroup

해당 마운트포인트에서 ls -l 명령을 실행시키면 다음과 같은 결과가 나올 것이다.

-r--r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:20 cgroup.controllers

-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:20 cgroup.procs

-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 cgroup.subtree_control

여기서 cgroup.controllers는 현재 cgroup v2가 사용가능한 컨트롤러들을 뜻한다. 부트 파라미터를 통해 cgroup v1을 효과적으로 disable 했다면, (혹은 애초에 cgroup v1을 사용하지 않는다면) 다음과 같은 결과를 볼 수 있다.

# cat cgroup.controllers

io memory pids

I/O와 memory, 그리고 pid에 대한 컨트롤러를 제공하며, 이 말은 cgroup 인터페이스를 통해 원하는 그룹에 저 세 가지 자원에 대한 제한을 걸 수 있다는 뜻이 된다.

cgroup.procs 는 현재 해당 컨트롤 그룹에 속해있는 프로세스를 의미하며, 현재 시스템에 등록되어 동작하고 있는 대부분의 프로세스가 여기에 등록되어 있을 것이다. 즉, 마운트포인트의 루트 디렉토리는 시스템의 루트 컨트롤 그룹에 대한 정보가 등록되어 있는 것이다. 

cgroups.subtree_control 은 하위 컨트롤 그룹에 대해 어떤 컨트롤러를 사용할 것인지 지정하는 것이다. 현재는 아무런 정보도 없을 것이다.

이제 새로운 컨트롤 그룹을 생성할 시간이다. 아래의 명령을 입력해보자.

# mkdir cgroup_child

생성된 디렉토리 아래로 가게 되면, 부모 디렉토리와 마찬가지로 cgroup.controllers, cgroup.subtree_control, cgroup.procs, 그리고 cgroup.events 파일이 존재할 것이다. 

생성된 그룹에 프로세스를 추가하기 위해서는, 해당 프로세스의 pid를 알아내어 다음과 같이 입력하면 된다.

# echo "pid" > ./cgroup/cgroup_child/cgroup.procs

그리고 원하는 컨트롤러를 "부모" 디렉토리의 cgroup.subtree_control에 입력하자. 여기서는 페이지 캐시 사용량을 제한하려고 하니, memory 컨트롤러를 입력하면 된다.

# echo "+memory" > ./cgroup/cgroup.subtree_control

여기서 +는 해당 컨트롤러를 추가한다는 의미이며, -로 입력할 경우 해당 컨트롤러를 제거한다는 의미가 된다. 

해당 명령을 수행하면, 자녀 디렉토리에 다음과 같은 파일들이 추가로 생성된다.

-r--r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 cgroup.controllers

-r--r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 cgroup.events

-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 cgroup.procs

-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 cgroup.subtree_control

-r--r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 memory.current

-r--r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:22 memory.events

-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 memory.high

-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:22 memory.low

-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 memory.max

-r--r--r-- 1 root root 0 Dec  9 03:21 memory.stat

각각의 의미는 다음과 같다.

메모리 사용량이 soft limit(memory.high)에 도달할 경우, 해당 그룹의 프로세스들을 throttling 하며, memory 회수를 빈번하게 수행시키기 위한 압박을 주게 된다. 만약, 메모리 사용량이 hard limit (memory.max)를 넘어서게 될 경우, 커널은 OOM killer를 호출하여 해당 프로세스를 종료시키게 된다.

두 항목에 적절한 값을 설정하고, free 명령을 통해 메모리 사용량 변화의 추이를 살펴보자.

모든 가용영역을 캐시용도로 쓰던 과거에서 벗어나, 제한된 만큼 사용하는 것을 확인할 수 있다.

엄밀히 따지자면, 이 방법은 페이지 캐시를 제한하기 위해 존재하는 방법은 아니다.

하지만 내 용도가 페이지 캐시를 제한하는 것 이었던 만큼 이 항목으로 포스팅을 남긴다.

Virtual File System

리눅스를 비롯한 대부분의 유닉스 계열 운영체제는 VFS라는 레이어를 제공한다. 이것은 표준의 SCI(System Call Interface)와 ext2, ext3 를 비롯한 실제 파일시스템 구현 사이에 존재하는 일종의 인터페이스이며, 커널은 이 인터페이스를 통해서 파일시스템 수준에서 동작해야 하는 작업을 처리하기 때문에 가상 파일 시스템(VFS)라는 이름이 붙게 되었다.

그렇다면 왜 VFS가 존재하게 되었는가?

컴퓨터 기술의 발전과 동시에 이를 관리하기 위한 시스템 기술들도 발전하게 되었다. 커널은 비선점형 커널에서 선점형 커널로 발전하였고, 멀티 코어를 지원하기 위한 개념들도 등장하게 되었다. 이는 저장장치와 이 저장장치를 다루는 드라이버 레벨의 소프트웨어, 그리고 보다 추상적인 관점에서 운영체제와 저장장치간의 교두보 역할을 하게 되는 파일 시스템도 마찬가지이다. 기존의 UFS에서 도스 기반의 FAT, 리눅스의 등장과 함께 그 발전을 함께한 ext 계열의 파일 시스템들이 바로 그 맥락에서 발전해온 파일 시스템들이다. 

파일 시스템은 사용자 어플리케이션을 대신하여 파일 레벨의 작업을 수행한다. 사용자 어플리케이션이 표준 라이브러리의 함수를 호출하여 특정 파일에 '쓰기'작업을 한다고 치면, 라이브러리는 커널의 write() 시스템 콜을 호출할 것이다. 커널은 해당 시스템 콜에서 타겟으로 하는 파일이 존재하는 파일시스템에게 write() 시스템 콜에서 정의되어 있는 루틴대로 작업을 시킬 것이고, 파일 시스템은 작업을 처리한 후 커널에게 다시 적절한 값을 리턴할 것이다. 최종적으로 사용자는 커널과 표준 라이브러리로부터 리턴값을 돌려받아 작업이 제대로 처리되었는지를 확인하게 될 것이다.

이는 파일 시스템이 하나만 존재하는 경우에만 성립한다 할 수 있다. 파일 시스템이 둘 이상 존재하게 될 경우, 모든 파일 시스템이 동일한 함수를 제공하지 않는 이상 시스템 콜도 그에 맞추어 서로 다른 루틴으로 작성되어야 할 것이다. 이렇게 되면 새로운 파일 시스템이 생길 때마다 새로운 시스템 콜이 작성되어야 할 것이고, 운영체제도 다시 컴파일 되어야 할 것이다.

이런 문제점을 해결하기 위해서 커널은 모든 파일 시스템이 지켜야할 일종의 표준 모델을 제시하였다. 앞으로 살펴볼 VFS상의 컴포넌트들이 바로 그것인데, 리눅스 커널은 이 모델을 정의하며 객체 지향 모델의 특징을 가져왔다. 하나의 자료구조에 관리를 위한 변수 뿐 아니라 함수의 포인터들의 선언으로 이루어진 테이블을 정의한 것이다. 다음은 표준 모델 중 하나인 struct file의 간략한 예시이다. 

file_operations는 해당 함수의 원형을 정해놓고, 포인터의 형태로 선언한 것이다. 파일 시스템은 이러한 구조체로 제시된 함수의 형식에 맞추어 그 세부사항을 구현하면 된다. 그렇게 되면 커널은 VFS 수준에서 해당 파일시스템의 함수 포인터를 이용한 호출로 작업을 완료할 수 있게 된다. 마치 객체 지향 모델의 인터페이스(혹은 추상클래스)와 같은 모습이라 할 수 있겠다. 

이러한 표준 모형을 제시하기 위해서 VFS는 4개의 객체를 정의한다. 각각은 다음과 같다.

1. super_block
2. inode
3. dentry
4. file