深入剖析Kubernetes之容器技术概念入门篇

容器本身没有价值，有价值的是“容器编排”。

• 也正因为如此，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。

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。

进程层面

• 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。

Cgroups 和 Namespace 这两个概念很抽象，动手实践一下，就很容易理解这两项技术了。

• 首先创建一个容器来试试: docker run -it busybox /bin/sh
  • -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。
• 执行一下 ps 指令，就会发现一些更有趣的事情: ps

/ # ps
PID   USER     TIME  COMMAND
    1 root      0:00 /bin/sh
    7 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。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。

除了用到的 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。

• 所以说，容器，其实是一种特殊的进程而已。

• 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。

隔离与限制

基于 Linux Namespace 的隔离机制相比于虚拟化技术也有很多不足之处，其中最主要的问题就是：隔离得不彻底。

• 首先，既然容器只是运行在宿主机上的一种特殊的进程，那么多个容器之间使用的就还是同一个宿主机的操作系统内核。
  • 可以在容器里通过 Mount Namespace 单独挂载其他不同版本的操作系统文件，比如 CentOS 或者 Ubuntu，但这并不能改变共享宿主机内核的事实。
• 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。
  • 如果你的容器中的程序使用 settimeofday(2) 系统调用修改了时间，整个宿主机的时间都会被随之修改，这显然不符合用户的预期。相比于在虚拟机里面可以随便折腾的自由度，在容器里部署应用的时候，“什么能做，什么不能做”，就是用户必须考虑的一个问题。

介绍完容器的“隔离”技术之后，再来研究一下容器的“限制”问题

• 我们不是已经通过 Linux Namespace 创建了一个“容器”吗，为什么还需要对容器做“限制”呢？

  • 以 PID Namespace 为例，来解释这个问题。虽然容器内的第 1 号进程在“障眼法”的干扰下只能看到容器里的情况，但是宿主机上，它作为第 100 号进程与其他所有进程之间依然是平等的竞争关系。这就意味着，虽然第 100 号进程表面上被隔离了起来，但是它所能够使用到的资源（比如 CPU、内存），却是可以随时被宿主机上的其他进程（或者其他容器）占用的。当然，这个 100 号进程自己也可能把所有资源吃光。这些情况，显然都不是一个“沙盒”应该表现出来的合理行为。

• Linux Cgroups 就是 Linux 内核中用来为进程设置资源限制的一个重要功能。 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。此外，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。

• inux Cgroups 的设计还是比较易用的，简单粗暴地理解呢，它就是一个子系统目录加上一组资源限制文件的组合。而对于 Docker 等 Linux 容器项目来说，它们只需要在每个子系统下面，为每个容器创建一个控制组（即创建一个新目录），然后在启动容器进程之后，把这个进程的 PID 填写到对应控制组的 tasks 文件中就可以了。

容器镜像

一个“容器”，实际上是一个由 Linux Namespace、Linux Cgroups 和 rootfs 三种技术构建出来的进程的隔离环境。

• 从这个结构中不难看出，一个正在运行的 Linux 容器，其实可以被“一分为二”地看待：
  • 一组联合挂载在 /var/lib/docker/aufs/mnt 上的 rootfs，这一部分我们称为 “容器镜像”（Container Image），是容器的静态视图；
  • 一个由 Namespace+Cgroups 构成的隔离环境，这一部分我们称为 “容器运行时”（Container Runtime），是容器的动态视图。

这个挂载在容器根目录上、用来为容器进程提供隔离后执行环境的文件系统，就是所谓的“容器镜像”。它还有一个更为专业的名字，叫作：rootfs（根文件系统）。

• 对 Docker 项目来说，它最核心的原理实际上就是为待创建的用户进程：
  1. 启用 Linux Namespace 配置；
  2. 设置指定的 Cgroups 参数；
  3. 切换进程的根目录（Change Root）。
• 这样，一个完整的容器就诞生了。不过，Docker 项目在最后一步的切换上会优先使用 pivot_root 系统调用，如果系统不支持，才会使用 chroot。

需要明确的是，rootfs 只是一个操作系统所包含的文件、配置和目录，并不包括操作系统内核。在 Linux 操作系统中，这两部分是分开存放的，操作系统只有在开机启动时才会加载指定版本的内核镜像。

• rootfs 只包括了操作系统的“躯壳”，并没有包括操作系统的“灵魂”。对于容器来说，同一台机器上的所有容器，都共享宿主机操作系统的内核。这就意味着，如果你的应用程序需要配置内核参数、加载额外的内核模块，以及跟内核进行直接的交互，你就需要注意了：这些操作和依赖的对象，都是宿主机操作系统的内核，它对于该机器上的所有容器来说是一个“全局变量”，牵一发而动全身。

• 这也是容器相比于虚拟机的主要缺陷之一：毕竟后者不仅有模拟出来的硬件机器充当沙盒，而且每个沙盒里还运行着一个完整的 Guest OS 给应用随便折腾。

• 不过，正是由于 rootfs 的存在，容器才有了一个被反复宣传至今的重要特性：一致性。

• 由于云端与本地服务器环境不同，应用的打包过程，一直是使用 PaaS 时最“痛苦”的一个步骤。但有了容器之后，更准确地说，有了容器镜像（即 rootfs）之后，这个问题被非常优雅地解决了。

• rootfs 里打包的不只是应用，而是整个操作系统的文件和目录，也就意味着，应用以及它运行所需要的所有依赖，都被封装在了一起。这种深入到操作系统级别的运行环境一致性，打通了应用在本地开发和远端执行环境之间难以逾越的鸿沟。

Docker 在镜像的设计中，引入了层（layer）的概念。也就是说，用户制作镜像的每一步操作，都会生成一个层，也就是一个增量 rootfs。

• 强调 Linux 容器，是因为比如 Docker on Mac，以及 Windows Docker（Hyper-V 实现），实际上是基于虚拟化技术实现的，与Linux 容器完全不同。

一个进程，可以选择加入到某个进程已有的 Namespace 当中，从而达到“进入”这个进程所在容器的目的，这正是 docker exec 的实现原理。

• 如果指定 -net=host，就意味着这个容器不会为进程启用 Network Namespace。这就意味着，这个容器拆除了 Network Namespace 的“隔离墙”，所以，它会和宿主机上的其他普通进程一样，直接共享宿主机的网络栈。这就为容器直接操作和使用宿主机网络提供了一个渠道。
• docker commit，实际上就是在容器运行起来后，把最上层的“可读写层”，加上原先容器镜像的只读层，打包组成了一个新的镜像。当然，下面这些只读层在宿主机上是共享的，不会占用额外的空间。而由于使用了联合文件系统，你在容器里对镜像 rootfs 所做的任何修改，都会被操作系统先复制到这个可读写层，然后再修改。这就是所谓的：Copy-on-Write。

容器技术使用了 rootfs 机制和 Mount Namespace，构建出了一个同宿主机完全隔离开的文件系统环境。这时候，我们就需要考虑这样两个问题：

• 容器里进程新建的文件，怎么才能让宿主机获取到？

• 宿主机上的文件和目录，怎么才能让容器里的进程访问到？

• 这正是 Docker Volume 要解决的问题：Volume 机制，允许你将宿主机上指定的目录或者文件，挂载到容器里面进行读取和修改操作。

Docker 又是如何做到把一个宿主机上的目录或者文件，挂载到容器里面去呢？难道又是 Mount Namespace 的黑科技吗？

• 当容器进程被创建之后，尽管开启了 Mount Namespace，但是在它执行 chroot（或者 pivot_root）之前，容器进程一直可以看到宿主机上的整个文件系统。而宿主机上的文件系统，也自然包括了我们要使用的容器镜像。这个镜像的各个层，保存在 /var/lib/docker/aufs/diff 目录下，在容器进程启动后，它们会被联合挂载在 /var/lib/docker/aufs/mnt/ 目录中，这样容器所需的 rootfs 就准备好了。
• 所以，我们只需要在 rootfs 准备好之后，在执行 chroot 之前，把 Volume 指定的宿主机目录（比如 /home 目录），挂载到指定的容器目录（比如 /test 目录）在宿主机上对应的目录（即 /var/lib/docker/aufs/mnt/[可读写层 ID]/test）上，这个 Volume 的挂载工作就完成了。
• 更重要的是，由于执行这个挂载操作时，“容器进程”已经创建了，也就意味着此时 Mount Namespace 已经开启了。所以，这个挂载事件只在这个容器里可见。你在宿主机上，是看不见容器内部的这个挂载点的。这就保证了容器的隔离性不会被 Volume 打破。

这里提到的 " 容器进程 "，是 Docker 创建的一个容器初始化进程 (dockerinit)，而不是应用进程 (ENTRYPOINT + CMD)。dockerinit 会负责完成根目录的准备、挂载设备和目录、配置 hostname 等一系列需要在容器内进行的初始化操作。最后，它通过 execv() 系统调用，让应用进程取代自己，成为容器里的 PID=1 的进程。

• 这里要使用到的挂载技术，就是 Linux 的绑定挂载（bind mount）机制。它的主要作用就是，允许你将一个目录或者文件，而不是整个设备，挂载到一个指定的目录上。并且，这时你在该挂载点上进行的任何操作，只是发生在被挂载的目录或者文件上，而原挂载点的内容则会被隐藏起来且不受影响。

你知道的越多，你不知道的越多。