一、概述
理解容器的几个基本点
- 容器技术的兴起源于 PaaS 技术的普及;
- Docker 公司发布的 Docker 项目具有里程碑式的意义;
- Docker 项目通过“容器镜像”,解决了应用打包这个根本性难题。
- 容器本身没有价值,有价值的是“容器编排”
因此容器技术生态才爆发了一场关于“容器编排”的“战争”。而这次战争,最终以 Kubernetes 项目和 CNCF 社区的胜利而告终
二、容器是什么?
2.1 “沙盒”
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,也可以被方便地搬来搬去,这不就是 PaaS 最理想的状态嘛。
2.2 计算机上运行一个加法程序
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”,也叫代码的可执行镜像(executable image)。
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,所以这些数据就被会加载到内存中待命。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。像这样一个程序运起来后的计算机执行环境的总和。
2.3 容器技术的核心功能
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”。
什么是进程的动态表现呢?
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,运行于内存之中,这就是它的动态表现。
2.3.1 如何约束?
Cgroups 技术是用来制造约束的主要手段
2.3.2 如何修改?
Namespace 技术则是用来修改进程视图的主要方法。
三、Linux 容器最基本的实现原理
创建一个容器
root@ubuntu:/home/wx# docker run -it busybox /bin/sh Unable to find image 'busybox:latest' locally latest: Pulling from library/busybox 61c5ed1cbdf8: Pull complete Digest: sha256:4f47c01fa91355af2865ac10fef5bf6ec9c7f42ad2321377c21e844427972977 Status: Downloaded newer image for busybox:latest
-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 Ubuntu 18.04 机器就变成了一个宿主机,而一个运行着 /bin/sh 的容器,就跑在了这个宿主机里面。
/ # ps PID USER TIME COMMAND 1 root 0:00 /bin/sh 6 root 0:00 ps
/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。
这是如何做到的?
/bin/bash的pid是1号进程,这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。可实际上,他们在宿主机的操作系统里,还是原来的第 100 号进程。
这种技术,就是 Linux 里面的 Namespace 机制。它其实只是 Linux 创建新进程的一个可选参数。
在 Linux 系统中创建线程的系统调用是 clone(),比如:
int pid = clone(main_function, stack_size, SIGCHLD, NULL);
note: clone()是线程操作,但linux 的线程是用进程实现的
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。
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。
除了我们刚刚用到的 PID Namespace,Linux 操作系统还提供了 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,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。
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。
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?
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。
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。
应该把 Docker Engine 或者任何容器管理工具放在跟 Hypervisor 相同的位置,因为它们并不像 Hypervisor 那样对应用进程的隔离环境负责,也不会创建任何实体的“容器”,真正对隔离环境负责的是宿主机操作系统本身:
所以,在这个对比图里,我们应该把 Docker 画在跟应用同级别并且靠边的位置。这意味着,用户运行在容器里的应用进程,跟宿主机上的其他进程一样,都由宿主机操作系统统一管理,只不过这些被隔离的进程拥有额外设置过的 Namespace 参数。而 Docker 项目在这里扮演的角色,更多的是旁路式的辅助和管理工作。
疑问:镜像的运行对host os有要求吗? 比如打包的镜像原来的kernel和运行时的kernel不一致,又或者镜像的发行版是centos,能运行在host为ubuntu的机器上吗?
答:只要应用本身对内核没要求,那就完全没问题