리눅스 자원 제어: cgroup

멀티 유저, 멀티 프로세스 운영 환경에서는
각 서비스가 얼마나 CPU와 메모리를 사용할 수 있는지,
그리고 하나의 서비스 문제가 다른 서비스까지 번지지 않도록 어떻게 통제할 것인지가 중요하다.

따라서 프로세스를 실행 대상뿐만 아니라, 자원 관리의 대상으로도 다뤄야 한다.

이 글에서는 Red Hat 리눅스가 자원 통제를 어떻게 수행하는지, 다음 순서로 정리한다.

cgroup: 자원 관리의 핵심

cgroup이란?

cgroup은 Control Group의 약자로,

여러 프로세스를 하나의 그룹으로 묶고
그룹 단위로 자원을 제한하고 추적하는
리눅스 커널 기능이다.

예를 들어 다음과 같은 정책을 적용할 수 있다.

이 서비스는 메모리를 512MB까지만 사용
이 서비스는 CPU를 일정 비율까지만 사용
이 서비스는 생성 가능한 프로세스 수를 제한
이 서비스의 디스크 I/O를 제한

리눅스는 cgroup이라는 커널 기능을 통해 프로세스 그룹 단위로 자원을 제어한다.

cgroup이 제공하는 기능

cgroup은 크게 네 가지 기능을 제공한다.

1. 자원 제한 (Limit)

각 그룹에 사용할 수 있는 자원 한도를 설정할 수 있다.

CPU 사용량 제한
메모리 사용량 제한
디스크 I/O 제한
프로세스 수 제한

2. 자원 격리 (Isolation)

하나의 서비스가 문제를 일으켜도 다른 서비스까지 영향을 주지 않도록 분리할 수 있다.

3. 우선순위 제어 (Priority)

특정 서비스에 더 많은 CPU 비중을 주거나, 덜 중요한 작업의 우선순위를 낮출 수 있다.

4. 사용량 추적 (Accounting)

그룹 단위로 CPU, 메모리, I/O 사용량을 추적할 수 있다.

systemd: cgroup의 관리 주체

systemd와 cgroup의 관계

현대 리눅스에서 서비스 관리는 systemd가 담당한다.

systemd는 다음과 같은 운영 기능을 제공한다.

서비스 시작과 종료
상태 관리
자동 재시작
의존성 관리
로그 연계
자원 제어

이 가운데 자원 제어를 실제로 가능하게 해주는 기반이 바로 cgroup이다.

서비스별 cgroup 생성과 적용

systemd는 서비스를 실행할 때,

해당 서비스 전용 cgroup 을 만들고
관련 프로세스를 모두 그 안에 넣는다.
그 다음 필요한 자원 정책을 그 cgroup에 적용한다.

정리하면 내부 동작은 다음과 같다.

1. 서비스 실행
2. 해당 서비스용 cgroup 생성
3. 관련 프로세스를 그 cgroup에 배치
4. 자원 정책 적용

systemctl status로 cgroup 확인하기

systemctl status를 보면 다음과 같은 항목이 보인다.

CGroup: /system.slice/sshd.service

이 의미는 다음과 같다.

sshd.service에 속한 프로세스들이
/system.slice/sshd.service라는 cgroup 아래 묶여 있고
그 단위로 자원 관리가 이루어진다는 뜻이다

RHEL에서 보는 cgroup 구조

cgroup 버전

RHEL에서는 cgroup 버전에 따라 구조가 다르다.

cgroup v1에서는 리소스별로 CPU, 메모리, I/O 등이 각각 별도의 계층으로 나뉘어,
CPU용 트리와 메모리용 트리가 따로 존재했다.

반면 cgroup v2는 모든 자원을 하나의 트리에서 통합 관리한다.

이 구조는 다음 장점이 있다.

구조가 단순함
systemd와의 통합이 쉬움
자원 관리 방식이 일관됨

RHEL 9 이상에서는 cgroup v2 구조가 기본이다.

cgroup 기본 경로

/sys/fs/cgroup/

cgroup v2의 기본 경로는 위와 같다.
이 아래에서 systemd가 관리하는 서비스와 자원 구조를 확인할 수 있다.

systemd가 관리하는 cgroup 단위

cgroup 기본 경로 아래에는 systemd가 만든 단위들이 계층적으로 나타난다.
주요 단위는 다음과 같다.

1. slice

slice는 systemd가 만든 상위 논리 그룹이다.
자원 분배의 큰 틀을 나누는 단위라고 볼 수 있다.
예를 들어 system.slice 아래에 있다는 것은 해당 unit이 시스템 서비스 영역에 속한다는 뜻이다.

2. service

service는 실제 서비스 단위이다.
보통 systemd의 service unit과 1:1로 대응한다.
예: sshd.service, nginx.service

3. scope

scope는 서비스 외부에서 시작된 프로세스를 systemd 관리 범위 안에 포함시킬 때 사용하는 단위다.

정리하면 다음과 같다.

slice: 상위 그룹

service: 실제 서비스 단위

scope: 외부 프로세스 관리 단위

cgroup controller 파일

실제 자원 제한과 사용량 확인은 controller 파일을 통해 이루어진다.

cgroup 디렉터리 안에는 자원 제한과 상태 확인에 사용하는 controller 파일들이 있다.
이 파일들이 실제 자원 제어 인터페이스 역할을 한다.

대표적인 controller는 다음과 같다.

controller	역할
`cpu`	CPU 사용량 제어
`memory`	메모리 제한 및 사용량 확인
`io`	디스크 I/O 제어
`pids`	프로세스 수 제한

예를 들어 다음 경로를 보자.

/sys/fs/cgroup/system.slice/sshd.service/

이 안에는 다음과 같은 파일이 있을 수 있다.

cpu.max
memory.max
memory.current
pids.max

이 파일들의 의미는 다음과 같다.

*.max : 어디까지 허용할 것인가
*.current : 지금 얼마나 쓰고 있는가

실제로 출력해보면 아래처럼 값이 나타난다.

자원 제어의 동작 방식

systemd 설정이 cgroup으로 반영되는 방식

운영자는 보통 cgroup 파일을 직접 수정하기보다, systemd 설정을 통해 자원 정책을 적용한다.

예를 들어 unit file에 다음과 같이 설정할 수 있다.

[Service]
CPUQuota=20%
MemoryMax=512M

이 설정은 내부적으로 cgroup 관련 값으로 반영된다.

예를 들어 다음과 같은 controller 파일과 연결된다.

cpu.max
memory.max

운영자가 unit file을 통해 자원 정책을 설정하면
systemd가 controller 파일에 매핑하여 구현한다.

실행 중 자원 정책 변경

cgroup 기반 자원 정책은 실행 중에도 변경할 수 있다. 다음 두가지 방식으로 자원 정책을 변경할 수 있다.

1. systemd 방식

systemctl set-property nginx.service CPUQuota=30%

이 명령은 서비스 재시작 없이 자원 정책을 즉시 적용한다.

2. low-level

echo "30000 100000" > cpu.max

이처럼 group 파일을 직접 수정할 수도 있다.
다만 실제 운영에서는 직접 파일을 수정하기보다, systemd를 통해 관리하는 것이 더 안전하고 일관적이다.

정리

리눅스에서 자원 관리는 프로세스 그룹 단위로 이루어진다.
cgroup은 프로세스를 그룹 단위로 묶어 자원을 제어하는 커널 기능이다.
systemd는 서비스를 실행할 때 해당 서비스용 cgroup을 만들고 자원 정책을 적용한다.
cgroup 디렉터리의 controller 파일들을 통해 실제 제한과 사용량 확인이 이루어진다.
운영자가 unit file을 통해 자원 정책을 설정하면 systemd가 controller 파일에 매핑하여 구현한다.