5分钟快速了解Docker的底层原理

2021-01-29

一位同学曾给我打比方：宿主机就好比一间大房子，Docker把它成了N个小隔断。在这些小隔断之间，有独立的卫生间、小床、电视...

麻雀虽小，五脏俱全，这个比喻非常的贴切。linux提供了非常全面的隔离机制，使得每个小隔间互不影响。即使隔壁小间满室春光，我的小房间一样的冷清，对我毫无影响。

Docker能实现这些功能，依赖于chroot、namespace、cgroup等三种老技术。我们本篇文章，就先聊一下namespace方面的东西。毕竟隔离是容器的第一要素。

Linux的内核，提供了多达8种类型的Namespace。在这些独立的Namespace中，资源互不影响，隔离措施做的非常好。

1. 8种类型

我们先来看一下，Linux都支持哪些Namespace。可以通过unshare命令来观察到这些细节。在终端执行man unshare，将会出现这些Namespace的介绍。

另外，Linux在4.6版本，5.6版本，分别加入了cgroups和Time两种隔离类型，加起来就有8种。

通过unshare命令，可以快速建立一些隔离的例子，我们拿最简单直观的pid namespace来看一下它的效果。

众所周知，Linux进程号为1的，叫做systemd进程。但在Docker中，我们通过执行ps命令，却只能看到非常少的进程列表。

执行下面的命令，进入隔离环境，并将bash作为根进程：

unshare --pid --fork --mount-proc /bin/bash

效果如图所示。可以看到，我们的bash，已经成为了1号进程，而宿主机和其他隔离环境的进程信息，在这里是不可见的。

先在隔离环境中，执行sleep 1000。再开一个终端，在宿主机上执行pstree，我们将会看到这个隔离环境的进行信息。

接下来，在宿主机上，把sleep对应进程的命名空间信息，和宿主机的命名空间信息作一下对比。可以看到，它们的pid namespace，对应的数值是不同的。

下面给出其他namespace的实验性命令，你可以实际操作一下。

unshare --mount --fork /bin/bash

创建mount namespace，并在每个不同的环境中，使用不同的挂载目录。

unshare --uts --fork /bin/bash

uts可以用来隔离主机名称，允许每个namespace拥有一个独立的主机名，你可以通过hostname命令进行修改。

unshare --ipc --fork /bin/bash

IPC Namespace 主要是用来隔离进程间通信的。Linux的进程间通信，有管道、信号、报文、共享内存、信号量、套接口等方式。使用了IPC命名空间，意味着跨Namespace的这些通信方式将全部失效！不过，这也正是我们所希望的到的。

unshare --user -r /bin/bash

用户命名空间，就非常好理解了。我们可以在一个Namespace中建立xjjdog账号，也可以在另外一个Namespace中建立xjjdog账号，而且它们是相互不影响的。

unshare --net --fork /bin/bash

net namespace，这个就非常有用了。它可以用来隔离网络设备、IP 地址和端口等信息。

可以看到，通过各种Namespace，Linux能够对各种资源进行精细化的隔离。Docker本身也是一个新瓶装旧酒的玩具。Docker的创新之处，在于它加入了一个中央仓库，并封装了很多易用的命令。

你可能会发现，到目前为止，我们并没有对Cpu和内存的资源使用进行隔离，也没有对应的Namespace来解决这些问题。

资源限制的功能，是使用Cgroups进行限额配置来完成的，和Namespace没什么关系。我们将在后面的文章，介绍Cgroups这项技术。

最后，附上Docker的一张生命周期图。来源(http://docker-saigon.github.io/post/Docker-Internals/ )。有需要的同学可以加我的好友获取。

Docker发展到现在，应用工具链已经非常成熟了，很多同学已经驾轻就熟，如果你对容器技术非常感兴趣，不如多看一下最底层的原理。这样，不管是谷歌推自己的容器，还是继续使用docker，都能快速把它掌握。