自己动手写Docker系列 -- 3.1构造实现run命令版本的容器

简介

通过对前面Linux的Namespace、Cgroups、Union File System的学习，对Docker实现的基础知识有了一点点了解，接下来就跟着作者开始编写

源码说明

同时放到了Gitee和Github上，都可进行获取

• Gitee: https://gitee.com/free-love/docker-demo
• GitHub: https://github.com/lw1243925457/dockerDemo

本章节对应的版本标签是：3.1，防止后面代码过多，不好查看，可切换到标签版本进行查看

思路整理

下图是《自动动手写docker》中这一章节的核心流程图，我们在跟着作者写的时候也是这个思路：

在学习的过程，根据自己的学习精简了下（是对于编写代码的精简）

• 1.输入运行命令：如 run -ti /bin/sh
• 2.解析参数：得到输入的参数
• 3.创建并启动namespace隔离的容器进程：使用Linux的Namespace隔离进程环境
• 4.容器内调用自己，挂载proc文件系统，完成运行

注：本章的代码运行一次后，再次运行会出现下面的错误提示：

{"level":"error","msg":"fork/exec /proc/self/exe: no such file or directory","time":"2022-03-05T08:51:07+08:00"}

此时，我们运行下面的命令后，再次运行就可以了，可能是挂载proc文件系统的影响

mount -t proc proc /proc

1.命令解析

在书中，使用了组件库进行实现，我们照抄即可：

文件： main.go

package main

import (
	"dockerDemo/mydocker/command"
	log "github.com/sirupsen/logrus"
	"github.com/urfave/cli"
	"os"
)

const usage = `mydocker is a simple container runtime implementation.
               The purpose of this projects is to learn how docker works and how to write a docker by ourselves
               Enjoy it, just for fun.`

func main() {
	app := cli.NewApp()
	app.Name = "mydocker"
	app.Usage = usage

	app.Commands = []cli.Command{
		command.InitCommand,
		command.RunCommand,
	}

	app.Before = func(context *cli.Context) error {
		log.SetFormatter(&log.JSONFormatter{})
		log.SetOutput(os.Stdout)
		return nil
	}

	if err := app.Run(os.Args); err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
}

下面是实现目前的两个指令：InitCommand和RunCommand

文件：main_command.go

package command

import (
	"dockerDemo/mydocker/container"
	"dockerDemo/mydocker/run"
	"fmt"
	log "github.com/sirupsen/logrus"
	"github.com/urfave/cli"
)

var InitCommand = cli.Command{
	Name:  "init",
	Usage: "Init container process run user's process in container. Do not call it outside",
	/*
		1.获取传递过来的command参数
		2.执行容器初始化操作
	*/
	Action: func(context *cli.Context) error {
		log.Infof("init come on")
		cmd := context.Args().Get(0)
		log.Infof("command %s", cmd)
		return container.RunContainerInitProcess(cmd, nil)
	},
}

var RunCommand = cli.Command{
	Name:  "run",
	Usage: `Create a container with namespace and cgroups limit mydocker run -ti [command]`,
	Flags: []cli.Flag{
		cli.BoolFlag{
			Name:  "ti",
			Usage: "enable tty",
		},
	},
	/*
		这里是run命令执行的真正函数
		1.判断参数是否包含command
		2.获取用户指定的command
		3.调用Run function 去准备启动容器
	*/
	Action: func(context *cli.Context) error {
		if len(context.Args()) < 1 {
			return fmt.Errorf("missing container command")
		}
		cmd := context.Args().Get(0)
		tty := context.Bool("ti")
		run.Run(tty, cmd)
		return nil
	},
}

更开始的时候我以为命令是按照定义执行的，但在调试过程中，发现并不行，上面的命令就只是单纯的定义，并没有顺序可言

2.启动隔离进程

下面是启动隔离进程的具体实现：

文件：container_process.go

package container

import (
	"os"
	"os/exec"
	"syscall"
)

// NewParentProcess
/*
这里是父进程，也就是当前进程执行的内容
1.这里的 /proc/self/exe 调用中， /proc/self/ 指定是当前运行进程自己的环境，exec是自己调用自己，使用这种方式对创造出来的进程进行初始化
2.后面的args是参数，其中init是传递给本进程的第一个参数，在本例中，其实就是会去调用initCommand去初始化进程的一些环境和资源
3.下面的clone参数就是去fork出来一个新进程，并且使用了namespace隔离新创建的进程和外部环境
4.如果用户指定了-ti参数，就需要把当前进程的输入输出导入到标准输入输出上
*/
func NewParentProcess(tty bool, command string) *exec.Cmd {
	args := []string{"init", command}
	cmd := exec.Command("/proc/self/exe", args...)
	cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{
		Cloneflags: syscall.CLONE_NEWUTS | syscall.CLONE_NEWPID | syscall.CLONE_NEWNS | syscall.CLONE_NEWNET | syscall.CLONE_NEWIPC,
	}
	if tty {
		cmd.Stdin = os.Stdin
		cmd.Stdout = os.Stdout
		cmd.Stderr = os.Stderr
	}
	return cmd
}

注意上面的args，这里传的就是我们前面定义的InitCommand，这里去调用了我们的InitCommand命令

也就是命令：run -ti /bin/bash

首先解析得到run，运行我们定义的RunCommand，在RunCommand中，调用了我们的InitCommand去初始化进程，并且使用Namespace进行了进程隔离

最后返回给RunCommand调用的Run函数进行执行

文件：run.go

package run

import (
	"dockerDemo/mydocker/container"
	log "github.com/sirupsen/logrus"
	"os"
)

// Run
/*
这里的Start方法是真正开始前面创建好的 command 的调用，
它首先会clone出来一个namespace隔离的进程，然后在子进程中，调用/proc/self/exe,也就是自己调用自己
发送 init 参数，调用我们写的 init 方法，去初始化容器的一些资源
*/
func Run(tty bool, command string) {
	parent := container.NewParentProcess(tty, command)
	if err := parent.Start(); err != nil {
		log.Error(err)
		return
	}
	log.Infof("parent process run")
	_ = parent.Wait()
	os.Exit(-1)
}

3.初始启动进程替换

在上面完成后，我们的进程已经启动起来了，但还有个问题没有解决，就是容器内的第一个进程的问题

按照书中所说和查询相关资料和实验，如果不继续进行操作，那容器内的第一个进程（通过ps -a查看)，并不是我们想要的/bin/sh,而是init,如下：

sh-4.2# ps -aux
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0 704764  2068 pts/0    SNl  10:01   0:00 /proc/self/exe init /bin/sh
root         5  0.0  0.0 115544  1776 pts/0    SN   10:01   0:00 /bin/sh
root         7  0.0  0.0 157536  1900 pts/0    RN+  10:01   0:00 ps -aux

所以我们不能使用前面Namespace试验中的run命令了，而是需要使用exec命令，编写的 init.go 文件如下：

package container

import (
	log "github.com/sirupsen/logrus"
	"os"
	"os/exec"
	"syscall"
)

// RunContainerInitProcess
/*
之类的init函数是在容器内部执行的，也就是说，代码执行到这里后，容器所在的进程其实就已经创建出来了，这是本容器执行的第一个进程。
使用mount先去挂载proc文件系统，以便于后面通过ps命等系统命令去查看当前进程资源的情况
*/
func RunContainerInitProcess(command string, args []string) error {
	log.Infof("command %s, args %s", command, args)
	defaultMountFlags := syscall.MS_NOEXEC | syscall.MS_NOSUID | syscall.MS_NODEV
	err := syscall.Mount("proc", "/proc", "proc", uintptr(defaultMountFlags), "")
	if err != nil {
		return err
	}

	// 试验容器内的第一个进程非我们传入的运行命令时，可放开下面的注释，关闭后面的Exec
	//cmd := exec.Command(command)
	//cmd.Stdin = os.Stdin
	//cmd.Stdout = os.Stdout
	//cmd.Stderr = os.Stderr
	//if err := cmd.Run(); err != nil {
	//	log.Fatal(err)
	//}
	//os.Exit(-1)

	argv := []string{command}
	if err := syscall.Exec(command, argv, os.Environ()); err != nil {
		log.Errorf(err.Error())
	}
	return nil
}

4.编译，启动，运行

通过上面的代码就已经可以，我们使用命令编译后开始运行尝试，激动人心的时刻到了

注：Goland里面可以直接运行但不能交互输入，可惜了，如果有老哥有方法解决，可以在评论区告知，非常感谢

➜  dockerDemo git:(main) ✗ go build mydocker/main.go
warning: GOPATH set to GOROOT (/usr/local/go) has no effect
➜  dockerDemo git:(main) ✗ ./main run -ti /bin/sh
{"level":"info","msg":"parent process run","time":"2022-03-05T10:08:15+08:00"}
{"level":"info","msg":"init come on","time":"2022-03-05T10:08:15+08:00"}
{"level":"info","msg":"command /bin/sh","time":"2022-03-05T10:08:15+08:00"}
{"level":"info","msg":"command /bin/sh, args []","time":"2022-03-05T10:08:15+08:00"}
sh-4.2# ps -aux
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0 115544  1776 pts/0    SN   10:08   0:00 /bin/sh
root         5  0.0  0.0 157536  1896 pts/0    RN+  10:08   0:00 ps -aux

非常的Nice，和我们使用docker的时候感觉一样

总结

在本节中，结合自己的亲自试验，借助《自己动手写Docker》的代码，我们成功搞起了一个非常基础的容器，感觉非常的好

可以看到，实现这个功能，但并没有编写大量的代码，就简简单单的5个的文件，函数也很短小

如果各位也对自己编写一个Docker感兴趣，一定要动手起来，编程毕竟是一门手艺，实操的过程中，每个人都会遇到不一样的问题，有不同的疑惑，也希望本文能对大家有所帮助

参考资料

• 《自己动手写Docker》：非常好的书籍，值得一看并实操
• go语言syscall.Exec的用法
• linux mount命令