Docker隔离技术

1、起源

“容器”这项技术的来龙去脉：

• 容器技术的兴起源于 PaaS 技术的普及；
• Docker 公司发布的 Docker 项目具有里程碑式的意义；
• Docker 项目通过“容器镜像”，解决了应用打包这个根本性难题。

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。
不过，这两个能力说起来简单，但要用技术手段去实现它们，可能大多数人就无从下手了。

2、容器类比进程

所以，我就先来跟你说说这个“边界”的实现手段。

假如，现在你要写一个计算加法的小程序，这个程序需要的输入来自于一个文件，计算完成后的结果则输出到另一个文件中。
由于计算机只认识 0 和 1，所以无论用哪种语言编写这段代码，最后都需要通过某种方式翻译成二进制文件，才能在计算机操作系统中运行起来。
而为了能够让这些代码正常运行，我们往往还要给它提供数据，比如我们这个加法程序所需要的输入文件。这些数据加上代码本身的二进制文件，放在磁盘上，就是我们平常所说的一个“程序”，也叫代码的可执行镜像（executable image）。
然后，我们就可以在计算机上运行这个“程序”了。
首先，操作系统从“程序”中发现输入数据保存在一个文件中，所以这些数据就被会加载到内存中待命。同时，操作系统又读取到了计算加法的指令，这时，它就需要指示 CPU 完成加法操作。而 CPU 与内存协作进行加法计算，又会使用寄存器存放数值、内存堆栈保存执行的命令和变量。同时，计算机里还有被打开的文件，以及各种各样的 I/O 设备在不断地调用中修改自己的状态。
就这样，一旦“程序”被执行起来，它就从磁盘上的二进制文件，变成了计算机内存中的数据、寄存器里的值、堆栈中的指令、被打开的文件，以及各种设备的状态信息的一个集合。像这样一个程序运起来后的计算机执行环境的总和，就是我们今天的主角：进程。

所以，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。
而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”。

3、隔离技术

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。
你可能会觉得 Cgroups 和 Namespace 这两个概念很抽象，别担心，接下来我们一起动手实践一下，你就很容易理解这两项技术了。
假设你已经有了一个 Linux 操作系统上的 Docker 项目在运行，比如我的环境是 Ubuntu 16.04 和 Docker CE 18.05。
接下来，让我们首先创建一个容器来试试。

$ docker run -it busybox /bin/sh
/ #

这个命令是 Docker 项目最重要的一个操作，即大名鼎鼎的 docker run。
而 -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。
这样，我的 Ubuntu 16.04 机器就变成了一个宿主机，而一个运行着 /bin/sh 的容器，就跑在了这个宿主机里面。
上面的例子和原理，如果你已经玩过 Docker，一定不会感到陌生。此时，如果我们在容器里执行一下 ps 指令，

就会发现一些更有趣的事情：

/ # ps
PID USER TIME COMMAND
1 root 0:00 /bin/sh
10 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 号员工就自然是比尔 · 盖茨这样统领全局的人物。
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，更看不到比尔 · 盖茨。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。我们知道，在 Linux 系统中创建线程的系统调用是 clone()，

比如：

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

这个系统调用就会为我们创建一个新的进程，并且返回它的进程号 pid。
而当我们用 clone() 系统调用创建一个新进程时，就可以在参数中指定 CLONE_NEWPID 参数，比如：

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

这时，新创建的这个进程将会“看到”一个全新的进程空间，在这个进程空间里，它的 PID 是 1。之所以说“看到”，是因为这只是一个“障眼法”，在宿主机真实的进程空间里，这个进程的 PID 还是真实的数值，比如 100。
当然，我们还可以多次执行上面的 clone() 调用，这样就会创建多个 PID Namespace，而每个 Namespace 里的应用进程，都会认为自己是当前容器里的第 1 号进程，它们既看不到宿主机里真正的进程空间，也看不到其他 PID Namespace 里的具体情况。
而除了我们刚刚用到的 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。

比如，Mount Namespace，用于让被隔离进程只看到当前 Namespace 里的挂载点信息；Network Namespace，用于让被隔离进程看到当前 Namespace 里的网络设备和配置。

这，就是 Linux 容器最基本的实现原理了。

所以，Docker 容器这个听起来玄而又玄的概念，实际上是在创建容器进程时，指定了这个进程所需要启用的一组 Namespace 参数。这样，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。

所以说，容器，其实是一种特殊的进程而已。

4、总结

谈到为“进程划分一个独立空间”的思想，相信你一定会联想到虚拟机。而且，你应该还看过一张虚拟机和容器的对比图。

这幅图的左边，画出了虚拟机的工作原理。其中，名为 Hypervisor 的软件是虚拟机最主要的部分。它通过硬件虚拟化功能，模拟出了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。
这样，用户的应用进程就可以运行在这个虚拟的机器中，它能看到的自然也只有 Guest OS 的文件和目录，以及这个机器里的虚拟设备。这就是为什么虚拟机也能起到将不同的应用进程相互隔离的作用。
而这幅图的右边，则用一个名为 Docker Engine 的软件替换了 Hypervisor。这也是为什么，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。