简介
在当今的云计算和边缘计算环境中，容器技术已成为部署和管理应用程序的主流方式。Docker 和 Podman 作为两个流行的容器运行时，为开发者提供了强大的工具来构建、部署和管理容器化应用。然而，在一些对实时性要求较高的场景中，如工业自动化、金融交易系统、实时数据分析等，传统的容器运行时配置可能无法满足低延迟和高吞吐量的需求。实时容器技术通过优化容器的调度和资源分配，确保关键任务能够在严格的时间约束内执行，这对于保障系统的可靠性和性能至关重要。掌握实时容器的配置技能，不仅可以帮助开发者更好地适应实时性需求较高的项目，还能提升他们在复杂系统开发中的竞争力，为构建高效、可靠的实时系统奠定基础。
核心概念
实时任务的特性
实时任务是指那些对时间敏感的任务，它们需要在特定的时间范围内完成。根据时间约束的严格程度，实时任务通常分为硬实时任务和软实时任务。硬实时任务要求任务必须在绝对确定的时间内完成，否则可能导致系统故障或数据丢失，例如工业控制系统中的设备控制任务。软实时任务虽然也有时间要求，但允许一定程度的延迟，如视频流媒体服务中的数据传输任务。在实时容器中，关键任务通常被配置为具有较高的优先级，以确保它们能够在规定的时间内获得足够的资源。
实时运行时（RT Runtime）
实时运行时（RT Runtime）是容器运行时的一种特殊配置，它通过优化调度算法和资源分配策略，使容器能够以实时的方式运行。在 Linux 系统中，实时运行时通常依赖于实时调度策略（如 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR）以及实时优先级的设置。通过配置实时运行时，容器中的关键任务可以获得更高的调度优先级，从而减少响应时间并提高系统的实时性。
Cgroups 资源优先级控制
Cgroups（Control Groups）是 Linux 内核的一个功能，用于对进程组的资源使用进行限制、优先级分配和监控。在实时容器中，Cgroups 被用来限制非关键容器的 CPU 配额，从而确保关键容器能够获得足够的 CPU 时间。通过合理配置 Cgroups，可以实现对容器资源的精细化管理，提高系统的整体性能和资源利用率。
环境准备
软硬件环境
操作系统：推荐使用支持实时特性的 Linux 发行版，如 Ubuntu 20.04 LTS 或 CentOS 8。
开发工具：Docker（版本 20.10 及以上）、Podman（版本 3.0 及以上）、Cgroups 工具（如
cgcreate、cgset等）。硬件要求：至少需要 2 核 CPU 和 4GB 内存，以确保容器能够正常运行并进行实时调度。
环境安装与配置
安装 Docker
在 Ubuntu 上安装 Docker：
sudo apt-get update sudo apt-get install -y apt-transport-https ca-certificates curl software-properties-common curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add - sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable" sudo apt-get update sudo apt-get install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io将当前用户添加到
docker组，以便无需sudo即可运行 Docker 命令：sudo usermod -aG docker ${USER}安装 Podman
在 Ubuntu 上安装 Podman：
sudo apt-get update sudo apt-get install -y podman
安装 Cgroups 工具
在大多数 Linux 发行版中，Cgroups 工具已经预装。如果没有安装，可以通过以下命令安装：
sudo apt-get install -y cgroup-tools
应用场景
在工业自动化系统中，实时容器技术可以用于部署关键的设备控制任务。例如，一个工厂的自动化生产线需要实时监控和控制机器的运行状态，以确保生产过程的连续性和产品质量。通过使用 Docker 或 Podman 配置实时运行时，并利用 Cgroups 限制非关键任务的资源使用，可以确保设备控制任务在严格的时间约束内完成，从而提高生产线的可靠性和效率。
实际案例与步骤
配置 Docker 实时运行时
编辑 Docker 配置文件
打开 Docker 配置文件（通常位于
/etc/docker/daemon.json）：sudo nano /etc/docker/daemon.json添加以下配置以启用实时运行时支持：
{ "runtimes": { "rt": { "path": "runc", "runtimeArgs": [ "--runtime", "runc" ] } } }保存并关闭文件。
重启 Docker 守护进程
sudo systemctl restart docker创建实时容器
使用以下命令创建一个实时容器：
docker run --runtime=rt -it ubuntu:latest /bin/bash这将启动一个基于 Ubuntu 的实时容器，容器中的任务将使用实时调度策略。
配置 Podman 实时运行时
编辑 Podman 配置文件
Podman 的配置文件通常位于
~/.config/containers/containers.conf。如果该文件不存在，可以手动创建：mkdir -p ~/.config/containers touch ~/.config/containers/containers.conf编辑配置文件并添加以下内容：
[engine] cgroup_manager = "cgroupfs"保存并关闭文件。
创建实时容器
使用以下命令创建一个实时容器：
podman run --runtime=rt -it ubuntu:latest /bin/bash这将启动一个基于 Ubuntu 的实时容器，容器中的任务将使用实时调度策略。
使用 Cgroups 限制非关键容器的 CPU 配额
创建 Cgroups 控制组
创建一个名为
non_critical的 Cgroups 控制组：sudo cgcreate -g cpu:non_critical设置该控制组的 CPU 配额为 10%（假设系统有 100% 的 CPU 资源）：
sudo cgset -r cpu.cfs_quota_us=100000 non_critical将非关键容器添加到 Cgroups 控制组
启动一个非关键容器并将其添加到
non_critical控制组：podman run --cgroup-parent=non_critical -it ubuntu:latest /bin/bash这将确保非关键容器的 CPU 使用不会超过 10%，从而为关键容器保留足够的 CPU 资源。
常见问题与解答
Q1：如何验证容器是否使用了实时运行时？
A1：可以通过查看容器进程的调度策略来验证。在容器中运行以下命令：
ps -eo pid,comm,pri,ni,rtprio如果看到rtprio列有非零值，则表示该进程使用了实时调度策略。
Q2：Cgroups 配置后，容器性能似乎没有提升？
A2：请确保 Cgroups 配置正确，并且系统中没有其他资源瓶颈（如内存不足或磁盘 I/O 阻塞）。可以通过top或htop命令监控系统资源使用情况，以确定是否存在其他问题。
Q3：如何调整实时容器的优先级？
A3：可以通过修改容器进程的实时优先级来调整。在容器中运行以下命令：
chrt -r -p <priority> <pid>其中<priority>是实时优先级（范围通常为 1-99），<pid>是需要调整的进程 ID。
实践建议与最佳实践
调试技巧
使用
strace工具跟踪容器进程的系统调用，以确定是否存在性能瓶颈或资源竞争问题。利用
perf工具进行性能分析，找出热点函数和潜在的优化点。
性能优化
合理分配容器的资源配额，避免过度限制或过度分配资源。
使用轻量级的容器镜像，减少容器启动时间和资源占用。
常见错误解决方案
如果容器无法启动，检查 Docker 或 Podman 的日志文件（通常位于
/var/log/docker.log或/var/log/podman.log），以获取错误信息。如果 Cgroups 配置无效，确保 Cgroups 工具已正确安装，并且内核支持 Cgroups 功能。
总结与应用场景
通过本文的实战教程，我们详细介绍了如何在 Docker 和 Podman 中配置实时运行时（RT Runtime），并通过 Cgroups 限制非关键容器的资源使用。实时容器技术在工业自动化、金融交易系统、实时数据分析等领域具有广泛的应用前景。掌握这些技能后，开发者可以更好地应对实时性要求较高的项目，提高系统的可靠性和性能。希望读者能够将所学知识应用到实际项目中，充分发挥实时容器的优势，构建高效、可靠的实时系统。
