容器技术第一讲：容器入门篇

女主宣言

容器作为Paas的一种体现，越来越受到广大程序员的喜爱。本文作为容器的入门篇，对Docker的原理和主要技术进行了初步的介绍。

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概述

容器是Paas（ Platform-as-a-Service，平台即服务）的一种体现。将所需软件整合成一个应用，一个服务。

通俗的讲：容器是一种沙盒技术。沙盒就是像集装箱一样，把应用整体封装起来的技术。封装后，应用与应用之间，在各自的边界内运行，不会相互干扰；而被装进集装箱的应用，也可以被方便地搬来搬去。

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实现原理

容器技术的核心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”。 所以，容器只是运行在宿主机上的一种特殊的进程，使用的还是同一个宿主机的操作系统内核。

Docker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。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。

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对比虚拟机的工作原理

虚拟机主要是通过Hypervisor 的硬件虚拟化功能，模拟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。

基于以上，用户的应用进程就可以运行在这个虚拟的机器中，它能看到的只有 Guest OS 里面的文件和目录，以及这个机器里的虚拟设备。

区别于虚拟机技术的Docker则是用一个名为 Docker Engine 的软件替换了 Hypervisor。

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。

进程会觉得自己是各自PID Namespace里的第1号进程，只能看到各自Mount Namespace里面挂载的目录和文件，只能访问到各自Network Namespace里的网络设备，就仿佛运行在一个“容器”里面一样。

Docker初始化时，默认会启用 PID, UTS, network, user, mount, IPC, cgroup的Namespace。

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容器主要技术

Cgroups技术是用来制造约束的主要手段。

Namespace技术是用来修改进程视图的主要方法。

Linux Namespaces

Linux Namespaces机制是Linux提供的一种内核级别环境隔离的方法。 PID,IPC,Network等系统资源不再是全局性的，而是属于特定的Namespace。每个Namespace里面的资源对其他Namespace都是透明的。 Linux Namespace官方文档《Namespace in Operation》

实现过程主要用到：

Linux Cgroups

Linux Cgroups就是 Linux 内核中用来为进程设置资源限制的，它就是一个子系统目录加上一组资源限制文件的组合。

Linux Cgroups 的全称是 Linux Control Group。它最主要的作用，就是限制一个进程组能够使用的资源上限，包括 CPU、内存、磁盘、网络带宽等等。Cgroups 还能够对进程进行优先级设置、审计，以及将进程挂起和恢复等操作。

在 Linux 中，Cgroups 给用户暴露出来的操作接口是文件系统，即它以文件和目录的方式存在于 /sys/fs/cgroup 路径下。

在 /sys/fs/cgroup 下面有很多诸如 cpuset、cpu、 memory 这样的子目录。这些都是机器当前可以被 Cgroups 进行限制的资源种类。在其资源下可以看到该类资源具体可以被限制的方法。Cgroups 的每一项子系统都有其独有的资源限制能力，比如：

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容器的优点

Namespace 技术实际上只是限制了应用进程可以查看的内容，这些进程和宿主机上的其他进程一样，都是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。

容器本身并没有像Hypervisor那样对应用进程的隔离环境负责，真正对隔离环境负责的是宿主机操作系统。Docker在这里扮演的是辅助管理工作。

使用虚拟化技术作为应用沙盒，就必须要由 Hypervisor 来负责创建虚拟机，这个虚拟机是真实存在的，并且它里面必须运行一个完整的 Guest OS 才能执行用户的应用进程。这就不可避免地带来了额外的资源消耗和占用，尤其对计算资源、网络和磁盘 I/O 的损耗非常大。

而相比之下，容器化后的应用，却还是宿主机上的普通进程，所以性能损耗就不存在了；再有，使用 Namespace 作为隔离手段的容器并不需要 Guest OS，这就使得容器额外的资源占用几乎可以忽略不计。

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容器的坑

基于 Linux Namespace 的机制隔离不彻底

首先，虽然容器只是运行在宿主机上的进程，但是那么多个容器之间使用的还是同一个宿主机的操作系统内核。 如果你要在 Windows 宿主机上运行 Linux 容器，或者在低版本的 Linux 宿主机上运行高版本的 Linux 容器，都是行不通的。

其次，在 Linux 内核中，有很多资源和对象是不能被 Namespace 化的，最典型的例子就是：时间。如果在虚机修改时间，会发现宿主机的也会改变。

容器的“限制”问题

上文说到容器只是看起来被封装起来，但是实际上他和系统上其他的进程是有资源间相互竞争的关系。合理的评估资源的使用就显得很重要了。

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