白话容器基础(一):从进程说开去

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先明白一个道理:

容器本身没有价值,有价值的是“容器编排”。

但是:

容器,到底是怎么一回事儿?

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。

不过,这两个能力说起来简单,但要用技术手段去实现它们,可能大多数人就无从下手了。

所以,我就先来聊聊这个“边界”的实现手段。

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,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。

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。

假设你已经有了一个 Linux 操作系统上的 Docker 项目在运行,比如我的环境是 Ubuntu 16.04 和 Docker CE 18.05。

接下来,让我们首先创建一个容器来试试。

$ 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 Ubuntu 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。

上面的例子和原理,如果你已经玩过 Docker,一定不会感到陌生。此时,如果我们在容器里执行一下 ps 指令,就会发现一些更有趣的事情:

/ # 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。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。而 Namespace 的使用方式也非常有意思:它其实只是 Linux 创建新进程的一个可选参数。我们知道,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); 

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。

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。

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。

总结

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。

不过,相信你此刻已经会心一笑:这些不过都是“障眼法”罢了。