容器技术的基石： cgroup、namespace和联合文件系统
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2022-03-23 09:05:47
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Docker 是基于 Linux Kernel 的 Namespace 、 Cgroups 和 联合文件系统实现的技术实现的。
Docker 是利用 Linux 的 Namespace 、Cgroups 和 联合文件系统三大机制来保证实现的， 所以它的原理是使用 Namespace 做主机名、网络、PID 等资源的隔离，使用 Cgroups 对进程或者进程组做资源（例如：CPU、内存等）的限制，联合文件系统用于镜像构建和容器运行环境。
一、Namespace:
Namespace 是 Linux 内核的一项功能，该功能对内核资源进行分区，以使一组进程看到一组资源，而另一组进程看到另一组资源。Namespace 的工作方式通过为一组资源和进程设置相同的 Namespace 而起作用，但是这些 Namespace 引用了不同的资源。这些资源可以是进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、与网络访问相关的名称和进程间通信。
简单来说，Namespace 是 Linux 内核的一个特性，该特性可以实现在同一主机系统中，对进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、网络和进程间通信等资源的隔离。Docker 利用 Linux 内核的 Namespace 特性，实现了每个容器的资源相互隔离，从而保证容器内部只能访问到自己 Namespace 的资源。
最新的 Linux 5.6 内核中提供了 8 种类型的 Namespace：
Namespace 名称 作用 内核版本
Mount（mnt） 隔离挂载点 2.4.19
Process ID (pid) 隔离进程 ID 2.6.24
Network (net) 隔离网络设备，端口号等 2.6.29
Interprocess Communication (ipc) 隔离 System V IPC 和 POSIX message queues 2.6.19
UTS Namespace(uts) 隔离主机名和域名 2.6.19
User Namespace (user) 隔离用户和用户组 3.8
Control group (cgroup) Namespace 隔离 Cgroups 根目录 4.6
Time Namespace 隔离系统时间 5.6
Linux 内核提供了8种 Namespace，但是最新版本的 Docker 只使用了其中的前6 种，分别为Mount Namespace、PID Namespace、Net Namespace、IPC Namespace、UTS Namespace、User Namespace。
Mount Namespace 是 Linux 内核实现的第一个 Namespace，从内核的 2.4.19 版本开始加入。它可以用来隔离不同的进程或进程组看到的挂载点。通俗地说，就是可以实现在不同的进程中看到不同的挂载目录。使用 Mount Namespace 可以实现容器内只能看到自己的挂载信息，在容器内的挂载操作不会影响主机的挂载目录。
PID Namespace 的作用是用来隔离进程。在不同的 PID Namespace 中，进程可以拥有相同的 PID 号，利用 PID Namespace 可以实现每个容器的主进程为 1 号进程，而容器内的进程在主机上却拥有不同的PID。例如一个进程在主机上 PID 为 122，使用 PID Namespace 可以实现该进程在容器内看到的 PID 为 1。
UTS Namespace 主要是用来隔离主机名的，它允许每个 UTS Namespace 拥有一个独立的主机名。例如我们的主机名称为 docker，使用 UTS Namespace 可以实现在容器内的主机名称为 lagoudocker 或者其他任意自定义主机名。
IPC Namespace 主要是用来隔离进程间通信的。例如 PID Namespace 和 IPC Namespace 一起使用可以实现同一 IPC Namespace 内的进程彼此可以通信，不同 IPC Namespace 的进程却不能通信。
User Namespace 主要是用来隔离用户和用户组的。一个比较典型的应用场景就是在主机上以非 root 用户运行的进程可以在一个单独的 User Namespace 中映射成 root 用户。使用 User Namespace 可以实现进程在容器内拥有 root 权限，而在主机上却只是普通用户。
Net Namespace 是用来隔离网络设备、IP 地址和端口等信息的。Net Namespace 可以让每个进程拥有自己独立的 IP 地址，端口和网卡信息。例如主机 IP 地址为 172.16.4.1 ，容器内可以设置独立的 IP 地址为 192.168.1.1。
当 Docker 新建一个容器时， 它会创建这六种 Namespace，然后将容器中的进程加入这些 Namespace 之中，使得 Docker 容器中的进程只能看到当前 Namespace 中的系统资源。
正是由于 Docker 使用了 Linux 的这些 Namespace 技术，才实现了 Docker 容器的隔离，可以说没有 Namespace，就没有 Docker 容器。
Docker 正是结合了这六种 Namespace 的功能，才诞生了 Docker 容器。
二、Cgroups:
Cgroups（全称：control groups）是 Linux 内核的一个功能，它可以实现限制和隔离进程或者进程组的资源（如 CPU、内存、磁盘 IO 等）
Docker 是基于 Linux 内核的 Namespace 技术实现资源隔离的，所有的容器都共享主机的内核
cgroups 主要提供了如下功能。
1、资源限制： 限制资源的使用量，例如我们可以通过限制某个业务的内存上限，从而保护主机其他业务的安全运行。
2、优先级控制：不同的组可以有不同的资源（ CPU 、磁盘 IO 等）使用优先级。
3、审计：计算控制组的资源使用情况。
4、控制：控制进程的挂起或恢复。
cgroups功能的实现依赖于三个核心概念：子系统、控制组、层级树。
子系统（subsystem）：是一个内核的组件，一个子系统代表一类资源调度控制器。例如内存子系统可以限制内存的使用量，CPU 子系统可以限制 CPU 的使用时间。
控制组（cgroup）：表示一组进程和一组带有参数的子系统的关联关系。例如，一个进程使用了 CPU 子系统来限制 CPU 的使用时间，则这个进程和 CPU 子系统的关联关系称为控制组。
层级树（hierarchy）：是由一系列的控制组按照树状结构排列组成的。这种排列方式可以使得控制组拥有父子关系，子控制组默认拥有父控制组的属性，也就是子控制组会继承于父控制组。比如，系统中定义了一个控制组 c1，限制了 CPU 可以使用 1 核，然后另外一个控制组 c2 想实现既限制 CPU 使用 1 核，同时限制内存使用 2G，那么 c2 就可以直接继承 c1，无须重复定义 CPU 限制。
cgroups 的三个核心概念中，子系统是最核心的概念，因为子系统是真正实现某类资源的限制的基础。
cgroups 不仅可以实现资源的限制，还可以为我们统计资源的使用情况，容器监控系统的数据来源也是 cgroups 提供的。
三、联合文件系统:
联合文件系统，又叫 UnionFS，是一种通过创建文件层进程操作的文件系统，因此，联合文件系统非常轻快。Docker 使用联合文件系统为容器提供构建层，使得容器可以实现写时复制以及镜像的分层构建和存储。常用的联合文件系统有 AUFS、Overlay 和 Devicemapper 等.
Docker 是利用 Linux 的 Namespace 、Cgroups 和 联合文件系统三大机制来保证实现的， 所以它的原理是使用 Namespace 做主机名、网络、PID 等资源的隔离，使用 Cgroups 对进程或者进程组做资源（例如：CPU、内存等）的限制，联合文件系统用于镜像构建和容器运行环境。
一、Namespace:
Namespace 是 Linux 内核的一项功能，该功能对内核资源进行分区，以使一组进程看到一组资源，而另一组进程看到另一组资源。Namespace 的工作方式通过为一组资源和进程设置相同的 Namespace 而起作用，但是这些 Namespace 引用了不同的资源。这些资源可以是进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、与网络访问相关的名称和进程间通信。
简单来说，Namespace 是 Linux 内核的一个特性，该特性可以实现在同一主机系统中，对进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、网络和进程间通信等资源的隔离。Docker 利用 Linux 内核的 Namespace 特性，实现了每个容器的资源相互隔离，从而保证容器内部只能访问到自己 Namespace 的资源。
最新的 Linux 5.6 内核中提供了 8 种类型的 Namespace：
Namespace 名称 作用 内核版本
Mount（mnt） 隔离挂载点 2.4.19
Process ID (pid) 隔离进程 ID 2.6.24
Network (net) 隔离网络设备，端口号等 2.6.29
Interprocess Communication (ipc) 隔离 System V IPC 和 POSIX message queues 2.6.19
UTS Namespace(uts) 隔离主机名和域名 2.6.19
User Namespace (user) 隔离用户和用户组 3.8
Control group (cgroup) Namespace 隔离 Cgroups 根目录 4.6
Time Namespace 隔离系统时间 5.6
Linux 内核提供了8种 Namespace，但是最新版本的 Docker 只使用了其中的前6 种，分别为Mount Namespace、PID Namespace、Net Namespace、IPC Namespace、UTS Namespace、User Namespace。
Mount Namespace 是 Linux 内核实现的第一个 Namespace，从内核的 2.4.19 版本开始加入。它可以用来隔离不同的进程或进程组看到的挂载点。通俗地说，就是可以实现在不同的进程中看到不同的挂载目录。使用 Mount Namespace 可以实现容器内只能看到自己的挂载信息，在容器内的挂载操作不会影响主机的挂载目录。
PID Namespace 的作用是用来隔离进程。在不同的 PID Namespace 中，进程可以拥有相同的 PID 号，利用 PID Namespace 可以实现每个容器的主进程为 1 号进程，而容器内的进程在主机上却拥有不同的PID。例如一个进程在主机上 PID 为 122，使用 PID Namespace 可以实现该进程在容器内看到的 PID 为 1。
UTS Namespace 主要是用来隔离主机名的，它允许每个 UTS Namespace 拥有一个独立的主机名。例如我们的主机名称为 docker，使用 UTS Namespace 可以实现在容器内的主机名称为 lagoudocker 或者其他任意自定义主机名。
IPC Namespace 主要是用来隔离进程间通信的。例如 PID Namespace 和 IPC Namespace 一起使用可以实现同一 IPC Namespace 内的进程彼此可以通信，不同 IPC Namespace 的进程却不能通信。
User Namespace 主要是用来隔离用户和用户组的。一个比较典型的应用场景就是在主机上以非 root 用户运行的进程可以在一个单独的 User Namespace 中映射成 root 用户。使用 User Namespace 可以实现进程在容器内拥有 root 权限，而在主机上却只是普通用户。
Net Namespace 是用来隔离网络设备、IP 地址和端口等信息的。Net Namespace 可以让每个进程拥有自己独立的 IP 地址，端口和网卡信息。例如主机 IP 地址为 172.16.4.1 ，容器内可以设置独立的 IP 地址为 192.168.1.1。
当 Docker 新建一个容器时， 它会创建这六种 Namespace，然后将容器中的进程加入这些 Namespace 之中，使得 Docker 容器中的进程只能看到当前 Namespace 中的系统资源。
正是由于 Docker 使用了 Linux 的这些 Namespace 技术，才实现了 Docker 容器的隔离，可以说没有 Namespace，就没有 Docker 容器。
Docker 正是结合了这六种 Namespace 的功能，才诞生了 Docker 容器。
二、Cgroups:
Cgroups（全称：control groups）是 Linux 内核的一个功能，它可以实现限制和隔离进程或者进程组的资源（如 CPU、内存、磁盘 IO 等）
Docker 是基于 Linux 内核的 Namespace 技术实现资源隔离的，所有的容器都共享主机的内核
cgroups 主要提供了如下功能。
1、资源限制： 限制资源的使用量，例如我们可以通过限制某个业务的内存上限，从而保护主机其他业务的安全运行。
2、优先级控制：不同的组可以有不同的资源（ CPU 、磁盘 IO 等）使用优先级。
3、审计：计算控制组的资源使用情况。
4、控制：控制进程的挂起或恢复。
cgroups功能的实现依赖于三个核心概念：子系统、控制组、层级树。
子系统（subsystem）：是一个内核的组件，一个子系统代表一类资源调度控制器。例如内存子系统可以限制内存的使用量，CPU 子系统可以限制 CPU 的使用时间。
控制组（cgroup）：表示一组进程和一组带有参数的子系统的关联关系。例如，一个进程使用了 CPU 子系统来限制 CPU 的使用时间，则这个进程和 CPU 子系统的关联关系称为控制组。
层级树（hierarchy）：是由一系列的控制组按照树状结构排列组成的。这种排列方式可以使得控制组拥有父子关系，子控制组默认拥有父控制组的属性，也就是子控制组会继承于父控制组。比如，系统中定义了一个控制组 c1，限制了 CPU 可以使用 1 核，然后另外一个控制组 c2 想实现既限制 CPU 使用 1 核，同时限制内存使用 2G，那么 c2 就可以直接继承 c1，无须重复定义 CPU 限制。
cgroups 的三个核心概念中，子系统是最核心的概念，因为子系统是真正实现某类资源的限制的基础。
cgroups 不仅可以实现资源的限制，还可以为我们统计资源的使用情况，容器监控系统的数据来源也是 cgroups 提供的。
三、联合文件系统:
联合文件系统，又叫 UnionFS，是一种通过创建文件层进程操作的文件系统，因此，联合文件系统非常轻快。Docker 使用联合文件系统为容器提供构建层，使得容器可以实现写时复制以及镜像的分层构建和存储。常用的联合文件系统有 AUFS、Overlay 和 Devicemapper 等.