docker容器的原理分析

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01 容器的本质是什么？

今天的重点问题是讲述清楚什么是容器。

要理解容器的概念，首先我们需要知道什么是进程？当我们在Linux操作系统执行一个程序，这个程序可能是一个二进制文件，它被调用的时候，变成了计算机内存中的数据、寄存器中的值、堆栈中的指令、以及各种设备状态信息的一个集合。像这样的一个计算机执行环境的综合，我们称之为进程。

容器，就是为这个进程提供一个"边界"，理解成白话，就是把这个进程"包"起来，它本质上是通过约束和修改进程的一些动态表现实现的这个"包"的动作。

不难看出来，容器是一种特殊的、有"边界"的进程。

现在我们来看一个MySQL容器的进程特点。

1、先查看下我们机器上mysql容器的containerID值，如下：

[root@VM-16-13-centos service]# docker ps | grep mysql
4784586d01e0        mysql                                                        "docker-entrypoint..."   3 months ago        Up 3 months                             k8s_mysql.16d54d16_mysql-pd7jr_default_0032bce0-2b0f-11eb-98ad-5254002dbd85_d775f414

可以看到，containerID的值是4784586d01e0

2、首先我们通过docker exec命令（关于这条命令的介绍，下面会有讲述）进入一个容器里面，ps -ef命令查看进程：

[root@VM-16-13-centos service]# docker exec -it 4784586d01e0  bash
root@mysql-pd7jr:/# ps -ef
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
mysql        1     0  0  2020 ?        03:20:20 mysqld
root       882     0  0 09:42 ?        00:00:00 bash
root       888   882  0 09:46 ?        00:00:00 ps -ef

可以发现，mysqld这个进程的进程号是1.

这里我要多嘴一下：

1、docker exec -it 4784586d01e0 bash

这条指令是告诉容器，我要进入这个容器里面，并运行一个bash的指令。

2、如果你的docker里面不支持ps命令，你需要使用下面的命令安装一下ps这个指令：

apt-get update & apt-get install procps

然后我们退出到容器外面，再次查看mysqld进程的进程号：

[root@VM-16-13-centos service]# ps -ef|grep mysql
root      5152  5059  0  2020 pts/5    00:00:00 mysql -uroot -px xxxx
root     13644 24879  0  2020 pts/4    00:00:00 mysql -uroot -px xxxx
polkitd  18853 18837  0  2020 ?        03:20:25 mysqld

发现进程号是18853。

可以得到一个结论，mysqld进程在容器里面和容器外面执行的结果不一样。

为什么会这样？

其本质是docker容器中的进程被隔离在了一个新的环境中，使得这些进程只能看到重新计算过的PID号。前面我们说过，docker本质上是通过约束和修改进程的一些动态，将一个物理机上的进程"包"起来，我们看到的这个现象，就是"包"的结果。

那么Linux是如何将物理机进程进行的约束和修改呢？这里引入新的概念：

对于 Docker 等大多数 Linux 容器来说，Linux 的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。

02 Cgroup技术和Namespace技术介绍

Namespace技术主要是为容器提供资源隔离用的。Namespace这个功能实现的方法比较简单，通常情况下，我们创建Linux进程的时候，系统会执行一个clone的命令，类似：

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

它返回的就是我们创建的进程的PID号。

而Namespace技术就是在Linux创建进程的时候，多了一个参数，这个新参数暂且称之为newid，这样，在容器内，我们看到的进程的PID号，就是这个newid了。这个Namespace我们称之为PID Namespace。

除了这个Namespace,还有其他的，例如mount Namespace，Network Namespace等，分别是为了隔离挂载点和隔离网络的。

当然，不是所有的资源都能够被namespace化，例如时间和操作系统内核，就是一个服务器上的所有容器共享的。

容器一旦开始运行，我们需要控制它使用的机器资源，例如磁盘、内存、CPU等，否则它可能会耗尽物理机的资源，导致一些系统进程发生崩溃。Cgroup技术就是专门为Linux进程限制资源使用的。它的全程是Linux Control Group，它以文件和目录的形式存放在/sys/fs/cgroups目录下，如下：

[root@VM-16-13-centos service]# ls -l /sys/fs/cgroup/
total 0
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 blkio
lrwxrwxrwx 1 root root 11 Nov 20 11:38 cpu -> cpu,cpuacct
lrwxrwxrwx 1 root root 11 Nov 20 11:38 cpuacct -> cpu,cpuacct
drwxr-xr-x 5 root root  0 Nov 20 11:38 cpu,cpuacct
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 cpuset
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 devices
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 freezer
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 hugetlb
drwxr-xr-x 5 root root  0 Nov 20 11:38 memory
lrwxrwxrwx 1 root root 16 Nov 20 11:38 net_cls -> net_cls,net_prio
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 net_cls,net_prio
lrwxrwxrwx 1 root root 16 Nov 20 11:38 net_prio -> net_cls,net_prio
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 perf_event
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 pids
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 systemd

不同的文件目录里面，存储不同的资源种类被限制的值，其中，比较常用的：

blkio：为块设备设置i/o限制，一般用于磁盘等设备

cpuset：为进程分配单独的CPU核心和对应的内存节点

memory：为进程设定内存使用的限制。

当我们通过命令启动容器之后，操作系统会把这个docker进程对应的PID填写到对应控制组的文件中，从而控制当前进程使用的CPU资源值。