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容器技术原理: Linux 容器最基本的实现原理

一叶扁舟 2021-10-22
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一、进程

当我写了一个程序,用于计算1+1,由于计算机只认识0和1,那么当我从运行程序到看到结果,这个过程中,操作系统需要做如下操作

首先,操作系统从“程序”中发现输入数据保存在一个文件中,所以这些数据就会被加载到内存中待命。同时,操作系统又读取到了计算加法的指令,这时,它就需要指示 CPU 完成加法操作。而 CPU 与内存协作进行加法计算,又会使用寄存器存放数值、内存堆栈保存执行的命令和变量。同时,计算机里还有被打开的文件,以及各种各样的 I/O 设备在不断地调用中修改自己的状态。

就这样,一旦“程序”被执行起来,它就从磁盘上的二进制文件,变成了计算机内存中的数据、寄存器里的值、堆栈中的指令、被打开的文件,以及各种设备的状态信息的一个集合。像这样一个程序运行起来后的计算机执行环境的总和,就是:进程

对于进程来说,它的静态表现就是程序,平常都安安静静地待在磁盘上;而一旦运行起来,它就变成了计算机里的数据和状态的总和,这就是它的动态表现。

而容器技术的核心功能,就是通过约束和修改进程的动态表现,从而为其创造出一个“边界”。

二、Namespace 技术

2.1、什么是Namespace?

我们在linux系统中运行一个进程,那么他的进程号PID=100,运行下一个进程则是PID=101,那么在101号进程创建时,给他施一个“障眼法”,让他以为他是第一号(PID=1),他永远看不到前100号进程,那么他永远是PID=1,这种技术,就是Linux 里面的 Namespace 机制。

2.2、Linux中如何实现Namespace?

Linux在创建进程,调用clone()方法,返回一个int类型的pid

int pid = clone(main_function, stack_size, SIGCHLD, NULL);

在clone()中提供了一个可选参数CLONE_NEWPID,当我们在创建进程时,传入该参数

int pid = clone(main_function, stack_size, CLONE_NEWPID | SIGCHLD, NULL);

这时,新创建的这个进程将会“看到”一个全新的进程空间,在这个进程空间里,它的 PID 是 1。

我们还可以多次执行上面的 clone() 调用,这样就会创建多个 PID Namespace,而每个 Namespace 里的应用进程,都会认为自己是当前容器里的第 1 号进程,它们既看不到宿主机里真正的进程空间,也看不到其他 PID Namespace 里的具体情况。
而除了我们刚刚用到的 PID Namespace,Linux 操作系统还提供了多种类型的Namespace: Mount、UTS、IPC、Network 和 User 。这些 Namespace,用来对各种不同的进程上下文进行“障眼法”操作。
比如,Mount Namespace,用于让被隔离进程只看到当前 Namespace 里的挂载点信息;Network Namespace,用于让被隔离进程看到当前 Namespace 里的网络设备和配置。


这,就是 Linux 容器最基本的实现原理了。

所以,Docker 容器这个听起来玄而又玄的概念,实际上是在创建容器进程时,指定了这个进程所需要启用的一组 Namespace 参数。这样,容器就只能“看”到当前 Namespace 所限定的资源、文件、设备、状态,或者配置。而对于宿主机以及其他不相关的程序,它就完全看不到了。

所以说,容器,其实是一种特殊的进程而已。

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