]> git.ipfire.org Git - thirdparty/systemd.git/blobdiff - doc/CGROUP_DELEGATION.md
docs: move doc/ to docs/
[thirdparty/systemd.git] / doc / CGROUP_DELEGATION.md
diff --git a/doc/CGROUP_DELEGATION.md b/doc/CGROUP_DELEGATION.md
deleted file mode 100644 (file)
index 63d9d41..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,456 +0,0 @@
-# Control Group APIs and Delegation
-
-*Intended audience: hackers working on userspace subsystems that require direct
-cgroup access, such as container managers and similar.*
-
-So you are wondering about resource management with systemd, you know Linux
-control groups (cgroups) a bit and are trying to integrate your software with
-what systemd has to offer there. Here's a bit of documentation about the
-concepts and interfaces involved with this.
-
-What's described here has been part of systemd and documented since v205
-times. However, it has been updated and improved substantially, even
-though the concepts stayed mostly the same. This is an attempt to provide more
-comprehensive up-to-date information about all this, particular in light of the
-poor implementations of the components interfacing with systemd of current
-container managers.
-
-Before you read on, please make sure you read the low-level [kernel
-documentation about
-cgroupsv2](https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v2.txt). This
-documentation then adds in the higher-level view from systemd.
-
-This document augments the existing documentation we already have:
-
-* [The New Control Group Interfaces](https://www.freedesktop.org/wiki/Software/systemd/ControlGroupInterface/)
-* [Writing VM and Container Managers](https://www.freedesktop.org/wiki/Software/systemd/writing-vm-managers/)
-
-These wiki documents are not as up to date as they should be, currently, but
-the basic concepts still fully apply. You should read them too, if you do something
-with cgroups and systemd, in particular as they shine more light on the various
-D-Bus APIs provided. (That said, sooner or later we should probably fold that
-wiki documentation into this very document, too.)
-
-## Two Key Design Rules
-
-Much of the philosophy behind these concepts is based on a couple of basic
-design ideas of cgroupsv2 (which we however try to adapt as far as we can to
-cgroupsv1 too). Specifically two cgroupsv2 rules are the most relevant:
-
-1. The **no-processes-in-inner-nodes** rule: this means that it's not permitted
-to have processes directly attached to a cgroup that also has child cgroups and
-vice versa. A cgroup is either an inner node or a leaf node of the tree, and if
-it's an inner node it may not contain processes directly, and if it's a leaf
-node then it may not have child cgroups. (Note that there are some minor
-exceptions to this rule, though. E.g. the root cgroup is special and allows
-both processes and children — which is used in particular to maintain kernel
-threads.)
-
-2. The **single-writer** rule: this means that each cgroup only has a single
-writer, i.e. a single process managing it. It's OK if different cgroups have
-different processes managing them. However, only a single process should own a
-specific cgroup, and when it does that ownership is exclusive, and nothing else
-should manipulate it at the same time. This rule ensures that various pieces of
-software don't step on each other's toes constantly.
-
-These two rules have various effects. For example, one corollary of this is: if
-your container manager creates and manages cgroups in the system's root cgroup
-you violate rule #2, as the root cgroup is managed by systemd and hence off
-limits to everybody else.
-
-Note that rule #1 is generally enforced by the kernel if cgroupsv2 is used: as
-soon as you add a process to a cgroup it is ensured the rule is not
-violated. On cgroupsv1 this rule didn't exist, and hence isn't enforced, even
-though it's a good thing to follow it then too. Rule #2 is not enforced on
-either cgroupsv1 nor cgroupsv2 (this is UNIX after all, in the general case
-root can do anything, modulo SELinux and friends), but if you ignore it you'll
-be in constant pain as various pieces of software will fight over cgroup
-ownership.
-
-Note that cgroupsv1 is currently the most deployed implementation, even though
-it's semantically broken in many ways, and in many cases doesn't actually do
-what people think it does. cgroupsv2 is where things are going, and most new
-kernel features in this area are only added to cgroupsv2, and not cgroupsv1
-anymore. For example cgroupsv2 provides proper cgroup-empty notifications, has
-support for all kinds of per-cgroup BPF magic, supports secure delegation of
-cgroup trees to less privileged processes and so on, which all are not
-available on cgroupsv1.
-
-## Three Different Tree Setups 🌳
-
-systemd supports three different modes how cgroups are set up. Specifically:
-
-1. **Unified** — this is the simplest mode, and exposes a pure cgroupsv2
-logic. In this mode `/sys/fs/cgroup` is the only mounted cgroup API file system
-and all available controllers are exclusively exposed through it.
-
-2. **Legacy** — this is the traditional cgroupsv1 mode. In this mode the
-various controllers each get their own cgroup file system mounted to
-`/sys/fs/cgroup/<controller>/`. On top of that systemd manages its own cgroup
-hierarchy for managing purposes as `/sys/fs/cgroup/systemd/`.
-
-3. **Hybrid** — this is a hybrid between the unified and legacy mode. It's set
-up mostly like legacy, except that there's also an additional hierarchy
-`/sys/fs/cgroup/unified/` that contains the cgroupsv2 hierarchy. In this mode
-compatibility with cgroupsv1 is retained while some cgroupsv2 features are
-available too. This mode is a stopgap. Don't bother with this too much unless
-you have too much free time.
-
-To say this clearly, legacy and hybrid modes have no future. If you develop
-software today and don't focus on the unified mode, then you are writing
-software for yesterday, not tomorrow. They are primarily supported for
-compatibility reasons and will not receive new features. Sorry.
-
-Superficially, in legacy and hybrid modes it might appear that the parallel
-cgroup hierarchies for each controller are orthogonal from each other. In
-systemd they are not: the hierarchies of all controllers are always kept in
-sync (at least mostly: sub-trees might be suppressed in certain hierarchies if
-no controller usage is required for them). The fact that systemd keeps these
-hierarchies in sync means that the legacy and hybrid hierarchies are
-conceptually very close to the unified hierarchy. In particular this allows us
-to talk of one specific cgroup and actually mean the same cgroup in all
-available controller hierarchies. E.g. if we talk about the cgroup `/foo/bar/`
-then we actually mean `/sys/fs/cgroup/cpu/foo/bar/` as well as
-`/sys/fs/cgroup/memory/foo/bar/`, `/sys/fs/cgroup/pids/foo/bar/`, and so on.
-Note that in cgroupsv2 the controller hierarchies aren't orthogonal, hence
-thinking about them as orthogonal won't help you in the long run anyway.
-
-If you wonder how to detect which of these three modes is currently used, use
-`statfs()` on `/sys/fs/cgroup/`. If it reports `CGROUP2_SUPER_MAGIC` in its
-`.f_type` field, then you are in unified mode. If it reports `TMPFS_MAGIC` then
-you are either in legacy or hybrid mode. To distuingish these two cases, run
-`statfs()` again on `/sys/fs/cgroup/unified/`. If that succeeds and reports
-`CGROUP2_SUPER_MAGIC` you are in hybrid mode, otherwise not.
-
-## systemd's Unit Types
-
-The low-level kernel cgroups feature is exposed in systemd in three different
-"unit" types. Specifically:
-
-1. 💼 The `.service` unit type. This unit type is for units encapsulating
-   processes systemd itself starts. Units of these types have cgroups that are
-   the leaves of the cgroup tree the systemd instance manages (though possibly
-   they might contain a sub-tree of their own managed by something else, made
-   possible by the concept of delegation, see below). Service units are usually
-   instantiated based on a unit file on disk that describes the command line to
-   invoke and other properties of the service. However, service units may also
-   be declared and started programmatically at runtime through a D-Bus API
-   (which is called *transient* services).
-
-2. 👓 The `.scope` unit type. This is very similar to `.service`. The main
-   difference: the processes the units of this type encapsulate are forked off
-   by some unrelated manager process, and that manager asked systemd to expose
-   them as a unit. Unlike services, scopes can only be declared and started
-   programmatically, i.e. are always transient. That's because they encapsulate
-   processes forked off by something else, i.e. existing runtime objects, and
-   hence cannot really be defined fully in 'offline' concepts such as unit
-   files.
-
-3. 🔪 The `.slice` unit type. Units of this type do not directly contain any
-   processes. Units of this type are the inner nodes of part of the cgroup tree
-   the systemd instance manages. Much like services, slices can be defined
-   either on disk with unit files or programmatically as transient units.
-
-Slices expose the trunk and branches of a tree, and scopes and services are
-attached to those branches as leaves. The idea is that scopes and services can
-be moved around though, i.e. assigned to a different slice if needed.
-
-The naming of slice units directly maps to the cgroup tree path. This is not
-the case for service and scope units however. A slice named `foo-bar-baz.slice`
-maps to a cgroup `/foo.slice/foo-bar.slice/foo-bar-baz.slice/`. A service
-`quux.service` which is attached to the slice `foo-bar-baz.slice` maps to the
-cgroup `/foo.slice/foo-bar.slice/foo-bar-baz.slice/quux.service/`.
-
-By default systemd sets up four slice units:
-
-1. `-.slice` is the root slice. i.e. the parent of everything else. On the host
-   system it maps directly to the top-level directory of cgroupsv2.
-
-2. `system.slice` is where system services are by default placed, unless
-   configured otherwise.
-
-3. `user.slice` is where user sessions are placed. Each user gets a slice of
-   its own below that.
-
-4. `machines.slice` is where VMs and containers are supposed to be
-   placed. `systemd-nspawn` makes use of this by default, and you're very welcome
-   to place your containers and VMs there too if you hack on managers for those.
-
-Users may define any amount of additional slices they like though, the four
-above are just the defaults.
-
-## Delegation
-
-Container managers and suchlike often want to control cgroups directly using
-the raw kernel APIs. That's entirely fine and supported, as long as proper
-*delegation* is followed. Delegation is a concept we inherited from cgroupsv2,
-but we expose it on cgroupsv1 too. Delegation means that some parts of the
-cgroup tree may be managed by different managers than others. As long as it is
-clear which manager manages which part of the tree each one can do within its
-sub-graph of the tree whatever it wants.
-
-Only sub-trees can be delegated (though whoever decides to request a sub-tree
-can delegate sub-sub-trees further to somebody else if they like). Delegation
-takes place at a specific cgroup: in systemd there's a `Delegate=` property you
-can set for a service or scope unit. If you do, it's the cut-off point for
-systemd's cgroup management: the unit itself is managed by systemd, i.e. all
-its attributes are managed exclusively by systemd, however your program may
-create/remove sub-cgroups inside it freely, and those then become exclusive
-property of your program, systemd won't touch them — all attributes of *those*
-sub-cgroups can be manipulated freely and exclusively by your program.
-
-By turning on the `Delegate=` property for a scope or service you get a few
-guarantees:
-
-1. systemd won't fiddle with your sub-tree of the cgroup tree anymore. It won't
-   change attributes of any cgroups below it, nor will it create or remove any
-   cgroups thereunder, nor migrate processes across the boundaries of that
-   sub-tree as it deems useful anymore.
-
-2. If your service makes use of the `User=` functionality, then the sub-tree
-   will be `chown()`ed to the indicated user so that it can correctly create
-   cgroups below it. Note however that systemd will do that only in the unified
-   hierarchy (in unified and hybrid mode) as well as on systemd's own private
-   hierarchy (in legacy and hybrid mode). It won't pass ownership of the legacy
-   controller hierarchies. Delegation to less privileges processes is not safe
-   in cgroupsv1 (as a limitation of the kernel), hence systemd won't facilitate
-   access to it.
-
-3. Any BPF IP filter programs systemd installs will be installed with
-   `BPF_F_ALLOW_MULTI` so that your program can install additional ones.
-
-In unit files the `Delegate=` property is superficially exposed as
-boolean. However, since v236 it optionally takes a list of controller names
-instead. If so, delegation is requested for listed controllers
-specifically. Note hat this only encodes a request. Depending on various
-parameters it might happen that your service actually will get fewer
-controllers delegated (for example, because the controller is not available on
-the current kernel or was turned off) or more.  If no list is specified
-(i.e. the property simply set to `yes`) then all available controllers are
-delegated.
-
-Let's stress one thing: delegation is available on scope and service units
-only. It's expressly not available on slice units. Why? Because slice units are
-our *inner* nodes of the cgroup trees and we freely attach service and scopes
-to them. If we'd allow delegation on slice units then this would mean that
-both systemd and your own manager would create/delete cgroups below the slice
-unit and that conflicts with the single-writer rule.
-
-So, if you want to do your own raw cgroups kernel level access, then allocate a
-scope unit, or a service unit (or just use the service unit you already have
-for your service code), and turn on delegation for it.
-
-## Three Scenarios
-
-Let's say you write a container manager, and you wonder what to do regarding
-cgroups for it, as you want your manager to be able to run on systemd systems.
-
-You basically have three options:
-
-1. 😊 The *integration-is-good* option. For this, you register each container
-   you have either as a systemd service (i.e. let systemd invoke the executor
-   binary for you) or a systemd scope (i.e. your manager executes the binary
-   directly, but then tells systemd about it. In this mode the administrator
-   can use the usual systemd resource management and reporting commands
-   individually on those containers. By turning on `Delegate=` for these scopes
-   or services you make it possible to run cgroup-enabled programs in your
-   containers, for example a nested systemd instance. This option has two
-   sub-options:
-
-   a. You transiently register the service or scope by directly contacting
-      systemd via D-Bus. In this case systemd will just manage the unit for you
-      and nothing else.
-
-   b. Instead you register the service or scope through `systemd-machined`
-      (also via D-Bus). This mini-daemon is basically just a proxy for the same
-      operations as in a. The main benefit of this: this way you let the system
-      know that what you are registering is a container, and this opens up
-      certain additional integration points. For example, `journalctl -M` can
-      then be used to directly look into any container's journal logs (should
-      the container run systemd inside), or `systemctl -M` can be used to
-      directly invoke systemd operations inside the containers. Moreover tools
-      like "ps" can then show you to which container a process belongs (`ps -eo
-      pid,comm,machine`), and even gnome-system-monitor supports it.
-
-2. 🙁 The *i-like-islands* option. If all you care about is your own cgroup tree,
-   and you want to have to do as little as possible with systemd and no
-   interest in integration with the rest of the system, then this is a valid
-   option. For this all you have to do is turn on `Delegate=` for your main
-   manager daemon. Then figure out the cgroup systemd placed your daemon in:
-   you can now freely create sub-cgroups beneath it. Don't forget the
-   *no-processes-in-inner-nodes* rule however: you have to move your main
-   daemon process out of that cgroup (and into a sub-cgroup) before you can
-   start further processes in any of your sub-cgroups.
-
-3. 🙁 The *i-like-continents* option. In this option you'd leave your manager
-   daemon where it is, and would not turn on delegation on its unit. However,
-   as first thing you register a new scope unit with systemd, and that scope
-   unit would have `Delegate=` turned on, and then you place all your
-   containers underneath it. From systemd's PoV there'd be two units: your
-   manager service and the big scope that contains all your containers in one.
-
-BTW: if for whatever reason you say "I hate D-Bus, I'll never call any D-Bus
-API, kthxbye", then options #1 and #3 are not available, as they generally
-involve talking to systemd from your program code, via D-Bus. You still have
-option #2 in that case however, as you can simply set `Delegate=` in your
-service's unit file and you are done and have your own sub-tree. In fact, #2 is
-the one option that allows you to completely ignore systemd's existence: you
-can entirely generically follow the single rule that you just use the cgroup
-you are started in, and everything below it, whatever that might be. That said,
-maybe if you dislike D-Bus and systemd that much, the better approach might be
-to work on that, and widen your horizon a bit. You are welcome.
-
-## Controller Support
-
-systemd supports a number of controllers (but not all). Specifically, supported
-are:
-
-* on cgroupsv1: `cpu`, `cpuacct`, `blkio`, `memory`, `devices`, `pids`
-* on cgroupsv2: `cpu`, `io`, `memory`, `pids`
-
-It is our intention to natively support all cgroupsv2 controllers as they are
-added to the kernel. However, regarding cgroupsv1: at this point we will not
-add support for any other controllers anymore. This means systemd currently
-does not and will never manage the following controllers on cgroupsv1:
-`freezer`, `cpuset`, `net_cls`, `perf_event`, `net_prio`, `hugetlb`. Why not?
-Depending on the case, either their API semantics or implementations aren't
-really usable, or it's very clear they have no future on cgroupsv2, and we
-won't add new code for stuff that clearly has no future.
-
-Effectively this means that all those mentioned cgroupsv1 controllers are up
-for grabs: systemd won't manage them, and hence won't delegate them to your
-code (however, systemd will still mount their hierarchies, simply because it
-mounts all controller hierarchies it finds available in the kernel). If you
-decide to use them, then that's fine, but systemd won't help you with it (but
-also not interfere with it). To be nice to other tenants it might be wise to
-replicate the cgroup hierarchies of the other controllers in them too however,
-but of course that's between you and those other tenants, and systemd won't
-care. Replicating the cgroup hierarchies in those unsupported controllers would
-mean replicating the full cgroup paths in them, and hence the prefixing
-`.slice` components too, otherwise the hierarchies will start being orthogonal
-after all, and that's not really desirable. On more thing: systemd will clean
-up after you in the hierarchies it manages: if your daemon goes down, its
-cgroups will be removed too. You basically get the guarantee that you start
-with a pristine cgroup sub-tree for your service or scope whenever it is
-started. This is not the case however in the hierarchies systemd doesn't
-manage. This means that your programs should be ready to deal with left-over
-cgroups in them — from previous runs, and be extra careful with them as they
-might still carry settings that might not be valid anymore.
-
-Note a particular asymmetry here: if your systemd version doesn't support a
-specific controller on cgroupsv1 you can still make use of it for delegation,
-by directly fiddling with its hierarchy and replicating the cgroup tree there
-as necessary (as suggested above). However, on cgroupsv2 this is different:
-separately mounted hierarchies are not available, and delegation has always to
-happen through systemd itself. This means: when you update your kernel and it
-adds a new, so far unseen controller, and you want to use it for delegation,
-then you also need to update systemd to a version that groks it.
-
-## systemd as Container Payload
-
-systemd can happily run as a container payload's PID 1. Note that systemd
-unconditionally needs write access to the cgroup tree however, hence you need
-to delegate a sub-tree to it. Note that there's nothing too special you have to
-do beyond that: just invoke systemd as PID 1 inside the root of the delegated
-cgroup sub-tree, and it will figure out the rest: it will determine the cgroup
-it is running in and take possession of it. It won't interfere with any cgroup
-outside of the sub-tree it was invoked in. Use of `CLONE_NEWCGROUP` is hence
-optional (but of course wise).
-
-Note one particular asymmetry here though: systemd will try to take possession
-of the root cgroup you pass to it *in* *full*, i.e. it will not only
-create/remove child cgroups below it, it will also attempt to manage the
-attributes of it. OTOH as mentioned above, when delegating a cgroup tree to
-somebody else it only passes the rights to create/remove sub-cgroups, but will
-insist on managing the delegated cgroup tree's top-level attributes. Or in
-other words: systemd is *greedy* when accepting delegated cgroup trees and also
-*greedy* when delegating them to others: it insists on managing attributes on
-the specific cgroup in both cases. A container manager that is itself a payload
-of a host systemd which wants to run a systemd as its own container payload
-instead hence needs to insert an extra level in the hierarchy in between, so
-that the systemd on the host and the one in the container won't fight for the
-attributes. That said, you likely should do that anyway, due to the
-no-processes-in-inner-cgroups rule, see below.
-
-When systemd runs as container payload it will make use of all hierarchies it
-has write access to. For legacy mode you need to make at least
-`/sys/fs/cgroup/systemd/` available, all other hierarchies are optional. For
-hybrid mode you need to add `/sys/fs/cgroup/unified/`. Finally, for fully
-unified you (of course, I guess) need to provide only `/sys/fs/cgroup/` itself.
-
-## Some Dos
-
-1. ⚡ If you go for implementation option 1a or 1b (as in the list above), then
-   each of your containers will have its own systemd-managed unit and hence
-   cgroup with possibly further sub-cgroups below. Typically the first process
-   running in that unit will be some kind of executor program, which will in
-   turn fork off the payload processes of the container. In this case don't
-   forget that there are two levels of delegation involved: first, systemd
-   delegates a group sub-tree to your executor. And then your executor should
-   delegate a sub-tree further down to the container payload. Oh, and because
-   of the no-process-in-inner-nodes rule, your executor needs to migrate itself
-   to a sub-cgroup of the cgroup it got delegated, too. Most likely you hence
-   want a two-pronged approach: below the cgroup you got started in, you want
-   one cgroup maybe called `supervisor/` where your manager runs in and then
-   for each container a sibling cgroup of that maybe called `payload-xyz/`.
-
-2. ⚡ Don't forget that the cgroups you create have to have names that are
-   suitable as UNIX file names, and that they live in the same namespace as the
-   various kernel attribute files. Hence, when you want to allow the user
-   arbitrary naming, you might need to escape some of the names (for example,
-   you really don't want to create a cgroup named `tasks`, just because the
-   user created a container by that name, because `tasks` after all is a magic
-   attribute in cgroupsv1, and your `mkdir()` will hence fail with `EEXIST`. In
-   systemd we do escaping by prefixing names that might collide with a kernel
-   attribute name with an underscore. You might want to do the same, but this
-   is really up to you how you do it. Just do it, and be careful.
-
-## Some Don'ts
-
-1. 🚫 Never create your own cgroups below arbitrary cgroups systemd manages, i.e
-   cgroups you haven't set `Delegate=` in. Specifically: 🔥 don't create your
-   own cgroups below the root cgroup 🔥. That's owned by systemd, and you will
-   step on systemd's toes if you ignore that, and systemd will step on
-   yours. Get your own delegated sub-tree, you may create as many cgroups there
-   as you like. Seriously, if you create cgroups directly in the cgroup root,
-   then all you do is ask for trouble.
-
-2. 🚫 Don't attempt to set `Delegate=` in slice units, and in particular not in
-   `-.slice`. It's not supported, and will generate an error.
-
-3. 🚫 Never *write* to any of the attributes of a cgroup systemd created for
-   you. It's systemd's private property. You are welcome to manipulate the
-   attributes of cgroups you created in your own delegated sub-tree, but the
-   cgroup tree of systemd itself is out of limits for you. It's fine to *read*
-   from any attribute you like however. That's totally OK and welcome.
-
-4. 🚫 When not using `CLONE_NEWCGROUP` when delegating a sub-tree to a
-   container payload running systemd, then don't get the idea that you can bind
-   mount only a sub-tree of the host's cgroup tree into the container. Part of
-   the cgroup API is that `/proc/$PID/cgroup` reports the cgroup path of every
-   process, and hence any path below `/sys/fs/cgroup/` needs to match what
-   `/proc/$PID/cgroup` of the payload processes reports. What you can do safely
-   however, is mount the upper parts of the cgroup tree read-only (or even
-   replace the middle bits with an intermediary `tmpfs` — but be careful not to
-   break the `statfs()` detection logic discussed above), as long as the path
-   to the delegated sub-tree remains accessible as-is.
-
-5. ⚡ Currently, the algorithm for mapping between slice/scope/service unit
-   naming and their cgroup paths is not considered public API of systemd, and
-   may change in future versions. This means: it's best to avoid implementing a
-   local logic of translating cgroup paths to slice/scope/service names in your
-   program, or vice versa — it's likely going to break sooner or later. Use the
-   appropriate D-Bus API calls for that instead, so that systemd translates
-   this for you. (Specifically: each Unit object has a `ControlGroup` property
-   to get the cgroup for a unit. The method `GetUnitByControlGroup()` may be
-   used to get the unit for a cgroup.)
-
-6. ⚡ Think twice before delegating cgroupsv1 controllers to less privileged
-   containers. It's not safe, you basically allow your containers to freeze the
-   system with that and worse. Delegation is a strongpoint of cgroupsv2 though,
-   and there it's safe to treat delegation boundaries as privilege boundaries.
-
-And that's it for now. If you have further questions, refer to the systemd
-mailing list.
-
-— Berlin, 2018-04-20