本文主要是介绍01-容器基础:从进程说起,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
本章内容包括:
- 容器是什么样的一种技术
- 容器的边界是怎么实现的
- 容器支持哪些Namespace
- 容器的本质是什么
- 虚拟机与容器
在开始本章之前,我希望你能理解这样一个道理:容器本身没有价值,有价值的是"容器编排"。
那么容器究竟是怎么一回事呢?
容器其实是一种沙盒技术。 顾名思义,沙盒就是能够像一个集装箱一样,把你的应用"装"起来的技术。这样,应用与应用之间,就因为有了边界而不至于相互干扰;而被装进集装箱的应用,也可以被方便的搬来搬去,这不就是PaaS最理想的状态吗。
不过这两个技术说起来简单,但真要人从技术手段去实现它们,可能很多人就无从下手了。
所以,就先说说这个"边界"的实现手段把。
1 进程
假如,现在你要写一个计算加法的小程序,这个程序需要的输入来自于一个文件,计算完成后的结果则输出到另一个文件中。
由于计算机只认识0和1,所以无论用哪种语言编写这段代码,最后都需要通过某种方式翻译成二进制文件,才能在计算机操作系统中运行起来。
而为了能够让这些代码正常运行,我们往往还要给它提供数据,比如我们这个加法程序所需要的输入文件。这些数据加上代码本身的二进制文件,放在磁盘上,就是我们平常所说的一个"程序",也叫做代码的可执行镜像(executableimage)。
然后,我们就可以在计算机上运行这个程序了。
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,就是我们今天的主角:进程。
所以,对于进程来说,它的静态表现就是程序,平常都安安静静的待在磁盘上;而一旦运行起来,它就变成了计算机中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"。
对于Docker等大多数Linux容器来说,Cgroups技术是用来制造约束的主要手段,而NameSpace技术则是用来修改进程视图的主要方法。
你可能会觉得Cgroups和Namespace这两个概念很抽象,别担心,接下来我们一起动手实践一下,你就很容易理解这两项技术了。
2 进程隔离
让我们先创建一个容器试试。
$ docker run -it busybox /bin/sh
/ #
这个命令是Docker项目最重要的一个操作,即大名鼎鼎的docker run。
而-it参数告诉了Docker项目在启动容器后,需要给我们分配一个文本输入/输出环境,也就是TTY,跟容器的标准输入相关联,这样我们就可以和这个Docker容器进行交互了。而/bin/sh就是我们要在Docker容器里运行的程序。
所以,上面这条指令翻译成人类的语言就是:请帮我启动一个容器,在容器里执行/bin/sh,并且给我分配一个命令行终端跟这个容器交互。
这样,我的机器就变成了一个宿主机,而一个运行着/bin/sh的容器,就跑在这个宿主机里面。
接着,我们在容器里面执行一个ps
命令。
/ # ps
PID USER TIME COMMAND
1 root 0:00 /bin/sh
10 root 0:00 ps
可以看到,我们在Docker里最开始执行的/bin/sh,就是这个容器内部的第1号进程(PID=1),而这个容器里一共只有两个进程在运行。这就意味着,前面执行的/bin/sh,以及我们刚刚执行的ps,已经被Docker隔离在了一个跟宿主机完全不同的世界当中。
这究竟是怎么做到的呢?
本来,每当我们在宿主机上运行了一个/bin/sh程序,操作系统都会给它分配一个进程编号,比如PID=100。这个编号是进程的唯一标识,就像员工的工牌一样。所以PID=100,可以粗略地理解为这个/bin/sh是我们公司里的第100号员工,而第1号员工就自然是比尔 · 盖茨这样统领全局的人物。
而现在,我们要通过Docker把这个/bin/sh程序运行在一个容器当中。这时候,Docker就会在这个第100号员工入职时给他施一个“障眼法”,让他永远看不到前面的其他99个员工,更看不到比尔 · 盖茨。这样,他就会错误地以为自己就是公司里的第1号员工。
这种机制,其实就是对被隔离应用的进程空间做了手脚,使得这些进程只能看到重新计算过的进程编号,比如PID=1,实际上,它们在宿主机的操作系统里,还是原来的100号进程。
这种技术,就是Linux里面的Namespace机制。而Namespace的使用方式也非常有意思:它其实是Linux创建进程的一个可选参数。 我们知道,在Linux系统中创建进程的系统调用是clone(),比如:
int pid = clone(main_function, stack_size, SIGCHLD, NULL);
这个系统调用就会为我们创建一个新的进程,并且返回它的进程号pid。
而当我们用clone()系统调用创建一个新进程时,就可以在参数中指定CLONE_NEWPID参数,比如:
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。之所以说“看到”,是因为这只是一个"障眼法",在宿主机真实的进程空间里,这个进程的PID还是真实的数值,比如100。
当然,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。
而除了我们刚刚使用到的PID Namespace,Linux操作系统还支持了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。
- Mount Namespace(挂载命名空间):
- 描述:隔离文件系统的挂载点。每个挂载命名空间都有自己独立的挂载点视图。
- 用途:允许容器或进程拥有独立的文件系统视图,避免对全局文件系统的影响。
- 命令:
unshare -m
或mount --make-rprivate /
- PID Namespace(进程 ID 命名空间):
- 描述:隔离进程 ID 空间。每个 PID 命名空间都有自己的进程编号。
- 用途:允许容器或进程拥有独立的进程树,避免进程 ID 冲突和进程管理的干扰。
- 命令:
unshare -p
或clone(CLONE_NEWPID)
- Network Namespace(网络命名空间):
- 描述:隔离网络设备、IP 地址、路由表、防火墙规则等网络资源。
- 用途:允许容器或进程拥有独立的网络栈,支持虚拟网络和网络隔离。
- 命令:
unshare -n
或ip netns add
- IPC Namespace(进程间通信命名空间):
- 描述:隔离 System V IPC(消息队列、信号量和共享内存)和 POSIX 消息队列。
- 用途:允许容器或进程拥有独立的 IPC 资源,避免不同容器之间的 IPC 资源冲突。
- 命令:
unshare -i
或clone(CLONE_NEWIPC)
- UTS Namespace(UNIX 时间共享命名空间):
- 描述:隔离主机名和域名。
- 用途:允许容器或进程拥有独立的主机名和域名,支持多租户环境下的主机名隔离。
- 命令:
unshare -u
或sethostname
- User Namespace(用户命名空间):
- 描述:隔离用户和组 ID。每个用户命名空间都有自己的用户和组 ID 映射。
- 用途:允许非特权用户在容器内拥有特权操作,增强安全性。
- 命令:
unshare -U
或clone(CLONE_NEWUSER)
- Cgroup Namespace(控制组命名空间):
- 描述:隔离控制组(cgroup)视图。每个 cgroup 命名空间都有自己的 cgroup 层次结构。
- 用途:允许容器或进程拥有独立的 cgroup 视图,支持资源限制和监控的隔离。
- 命令:
unshare -C
或clone(CLONE_NEWCGROUP)
甚至在 Linux 内核 5.6 及更高版本中还支持了时间命名空间。
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干的程序,它就完全看不到了。
所以说,容器其实就是一种特殊的进程而已。
3 小结
谈到为“进程划分一个独立空间”的思想,相信你一定会联想到虚拟机。而且,你应该还看过一张虚拟机和容器的对比图。
这幅图的左边,画出了虚拟机的工作原理。其中,名为Hypervisor的软件是虚拟机最主要的部分。它通过硬件虚拟化功能,模拟出了运行一个操作系统需要的各种硬件,比如CPU、内存、I/O设备等等。然后,它在这些虚拟的硬件上安装了一个新的操作系统,即Guest OS。
这样,用户的应用进程就可以运行在这个虚拟的机器中,它能看到的自然也只有Guest OS的文件和目录,以及这个机器里的虚拟设备。这就是为什么虚拟机也能起到将不同的应用进程相互隔离的作用。
而这幅图的右边,则用一个名为Docker Engine的软件替换了Hypervisor。这也是为什么,很多人会把Docker项目称为“轻量级”虚拟化技术的原因,实际上就是把虚拟机的概念套在了容器上。
可是这样的说法,却并不严谨。
在理解了Namespace的工作方式之后,你就会明白,跟真实存在的虚拟机不同,在使用Docker的时候,并没有一个真正的“Docker容器”运行在宿主机里面。Docker项目帮助用户启动的,还是原来的应用进程,只不过在创建这些进程时,Docker为它们加上了各种各样的Namespace参数。
这时,这些进程就会觉得自己是各自PID Namespace里的第1号进程,只能看到各自Mount Namespace里挂载的目录和文件,只能访问到各自Network Namespace里的网络设备,就仿佛运行在一个个“容器”里面,与世隔绝。
这篇关于01-容器基础:从进程说起的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!