五分钟学K8S系列<二> - docker 容器的本质

上一篇我们从linux 容器的诞生，与架构对docker 有了初步的了解，这个篇章我们将透过现象看本质，深入的探索Linux容器化与Docker 技术 的原理与本质。

    Docker 是一种流行的容器化平台，它利用 Linux 内核中的 cgroups 和 namespaces 特性实现了轻量级的容器隔离。下面将详细介绍 Docker 的底层实现原理，并深入的看看探索其中使用到的三个系统调用与容器隔离的关系。

图片

Docker 的底层实现原理主要涉及以下三个方面

cgroups

图片

    cgroups（Control Groups）是 Linux 内核中的一种特性，它可以将进程分组并限制它们对系统资源（如 CPU、内存、磁盘和网络）的使用。Docker 使用 cgroups 来实现容器的资源隔离和限制，例如限制容器可以使用的 CPU 核心数量和内存大小。

    在 Linux 系统中，cgroups 的配置存放在 /sys/fs/cgroup 目录下。其中，每个子目录都对应一个 cgroup，可以对其进行资源控制。以下是一些重要的配置文件：

cpu.cfs_quota_us：CPU 时间配额，以微秒为单位。如果值为 -1，则表示没有限制。cpu.cfs_period_us：CPU 时间周期，以微秒为单位。该值确定了 CPU 时间的单位。memory.limit_in_bytes：内存限制，以字节为单位。如果值为 -1，则表示没有限制。blkio.weight：块设备 IO 权重，范围为 10-1000。

namespaces

图片

    namespaces 是 Linux 内核中的一种特性（进程隔离技术），它可以将全局系统资源抽象为一组本地资源。在 Docker 中，通过使用不同的 namespaces，可以实现容器的隔离。例如，PID 命名空间可以使容器只能看到自己内部的进程，网络命名空间可以使容器拥有自己的网络接口和 IP 地址，与主机网络隔离。

    在 Linux 系统中，namespaces 的配置存放在 /proc/[pid]/ns 目录下，其中 [pid] 为进程 ID。以下是一些重要的配置文件：

ipc：进程间通信隔离，包括信号量、消息队列和共享内存等。uts：主机名和域名隔离。net：网络隔离，包括 IP 地址、网络接口、路由表等。pid：进程隔离，每个容器内的进程只能看到该容器内的进程。mnt：文件系统隔离，每个容器有自己的文件系统视图。

联合文件系统

图片

    Docker 使用联合文件系统（UnionFS）实现镜像的分层存储。UnionFS 是一种文件系统堆叠技术，它允许多个文件系统层透明地合并为一个虚拟文件系统。Docker 的联合文件系统由多个镜像层组成，每个镜像层都可以看作一个只读的文件系统，只有最上层的可读写文件系统可以进行写操作。

    联合文件系统的配置信息存放在容器的元数据中，包括镜像层的 ID、镜像层的挂载路径等。Docker 会在运行容器时，将不同镜像层的文件系统堆叠在一起，形成一个完整的文件系统。

    容器的文件系统路径为 /var/lib/docker/overlay2/<container-id>/merged。

三个系统调用与容器隔离的关系

clone()

    clone() 系统调用可以创建一个新的进程，并可以通过设计参数来达到隔离的效果。在 Docker 中，每个容器都是一个独立的进程，可以拥有自己的文件系统、网络接口、进程空间和用户空间等。因此，在 Docker 中，clone() 系统调用被用于创建新的容器进程。

    使用 clone() 系统调用时，可以通过指定不同的参数来实现不同程度的隔离，例如：

CLONE_NEWUTS：创建一个新的 UTS 命名空间，用于隔离主机的主机名和域名；CLONE_NEWIPC：创建一个新的 IPC 命名空间，用于隔离进程间通信（IPC）机制，例如信号量、共享内存和消息队列；CLONE_NEWPID：创建一个新的 PID 命名空间，用于隔离进程 ID；CLONE_NEWNET：创建一个新的网络命名空间，用于隔离容器的网络接口和 IP 地址；CLONE_NEWUSER：创建一个新的用户命名空间，用于隔离用户和用户组的 ID。

unshare()

    unshare() 系统调用可以将进程从主机命名空间中分离出来，并创建一个新的命名空间，使得容器拥有自己独立的命名空间。在 Docker 中，unshare() 系统调用被用于创建新的命名空间，并将容器进程与主机进程分离开来，以实现容器的隔离。这个命名空间将成为容器进程的根命名空间，容器进程只能访问该命名空间下的资源。在这个命名空间中，容器进程将看到自己的文件系统、进程空间和网络接口等，而不是主机上的资源。

setns()

    setns() 系统调用可以将进程加入到特定的命名空间中。在 Docker 中，当容器需要访问主机网络时，可以使用 setns() 系统调用将进程切换到主机网络命名空间中，并访问主机网络资源。因此，setns() 系统调用是 Docker 实现容器与主机网络之间通信的的关键系统调用。

Docker 的工作流程

在 Docker 中，容器的创建和运行可以分为以下四个步骤：

镜像获取

    Docker 的镜像是一个文件系统层的集合，包含了应用程序运行所需的所有组件。在创建容器之前，需要先获取容器的基础镜像，这可以通过从 Docker Hub 中下载镜像，或者使用本地构建的镜像。

容器创建

    使用 Docker 命令行工具（CLI）创建容器时，Docker 首先会调用 clone() 系统调用来创建一个新的进程。该进程将拥有自己的文件系统、进程空间、网络接口等，与主机和其他容器隔离。

示例代码

package main
import (    "fmt"    "os"    "syscall")
func main() {    cmd := "/bin/bash"    args := []string{"bash"}
    cloneFlags := syscall.CLONE_NEWPID | syscall.CLONE_NEWUTS | syscall.CLONE_NEWNS | syscall.CLONE_NEWNET | syscall.CLONE_NEWIPC    // 使用 clone() 系统调用创建子进程    pid, err := syscall.Clone(func() {        // 子进程中运行指定命令        err := syscall.Exec(cmd, args, os.Environ())        if err != nil {            panic(err)        }    }, nil, cloneFlags)    if err != nil {        panic(err)    }
    fmt.Printf("child process ID: %d\n", pid)
    // 等待子进程结束    var status syscall.WaitStatus    _, err = syscall.Wait4(pid, &status, 0, nil)    if err != nil {        panic(err)    }    fmt.Printf("child process exit status: %d\n", status.ExitStatus())}

容器启动

    在容器创建完成后，Docker 会使用 unshare() 系统调用创建新的命名空间，并将容器进程与主机进程隔离开来。然后，Docker 会将容器进程切换到容器的网络命名空间中，以获得独立的网络接口和 IP 地址。

示例代码

package main
import (    "fmt"    "syscall")
func main() {    // 创建新的 UTS 命名空间    err := syscall.Unshare(syscall.CLONE_NEWUTS)    if err != nil {        panic(err)    }
    // 获取当前主机的 hostname    hostname, err := syscall.Gethostname()    if err != nil {        panic(err)    }    fmt.Printf("hostname in current namespace: %s\n", hostname)
    // 修改当前命名空间中的 hostname    err = syscall.Sethostname([]byte("newhostname"))    if err != nil {        panic(err)    }
    // 再次获取当前主机的 hostname    hostname, err = syscall.Gethostname()    if err != nil {        panic(err)    }    fmt.Printf("hostname in new namespace: %s\n", hostname)}

容器运行

    在容器启动后，Docker 会使用 setns() 系统调用将容器进程切换到相应的命名空间中，并将容器进程加入到相应的 cgroups 中，以限制容器使用系统资源。此外，Docker 还会挂载容器的文件系统层，并启动容器中定义的应用程序。

示例代码

package main
import (    "fmt"    "os"    "syscall")
func main() {    pid := os.Getpid()
    // 打开指定进程的 PID namespace    fd, err := syscall.Open(fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/pid", pid), syscall.O_RDONLY, 0)    if err != nil {        panic(err)    }    defer syscall.Close(fd)
    // 加入指定进程的 PID namespace    err = syscall.Setns(fd, syscall.CLONE_NEWPID)    if err != nil {        panic(err)    }
    // 获取当前进程的 PID    pid = os.Getpid()    fmt.Printf("PID in new namespace: %d\n", pid)}

syscall 相关的知识可以到五分钟学GO的连载学习。

Docker 利用 Linux 内核中的 cgroups 和 namespaces 特性实现了轻量级的容器隔离。在 Docker 中，clone() 系统调用被用于创建新的容器进程，unshare() 系统调用被用于创建新的命名空间，以实现容器的隔离，而 setns() 系统调用被用于将容器进程切换到相应的命名空间中。通过这些系统调用，Docker 可以在容器和主机之间实现高度的隔离和安全性，从而提供可移植和可重复的应用程序环境。

   在实际应用中，容器化技术可以大大简化应用程序的部署和管理。例如，你可以使用Docker来打包你的应用程序及其所有依赖项，然后使用Kubernetes来管理这些容器化的应用程序。这种方式可以让你的应用程序在不同环境中无缝运行，并且可以轻松地进行扩展和维护。

我正在参与2024腾讯技术创作特训营最新征文，快来和我瓜分大奖！