docker容器的原理分析

更新時間：2021年04月19日 10:13:06 作者：DBA隨筆

這篇文章主要介紹了docker容器的相關資料，幫助大家更好的理解和學習使用docker容器，感興趣的朋友可以了解下

01 容器的本質是什么？

今天的重點問題是講述清楚什么是容器。

要理解容器的概念，首先我們需要知道什么是進程？當我們在Linux操作系統(tǒng)執(zhí)行一個程序，這個程序可能是一個二進制文件，它被調用的時候，變成了計算機內存中的數據、寄存器中的值、堆棧中的指令、以及各種設備狀態(tài)信息的一個集合。像這樣的一個計算機執(zhí)行環(huán)境的綜合，我們稱之為進程。

容器，就是為這個進程提供一個"邊界"，理解成白話，就是把這個進程"包"起來，它本質上是通過約束和修改進程的一些動態(tài)表現實現的這個"包"的動作。

不難看出來，容器是一種特殊的、有"邊界"的進程。

現在我們來看一個MySQL容器的進程特點。

1、先查看下我們機器上mysql容器的containerID值，如下：

[root@VM-16-13-centos service]# docker ps | grep mysql
4784586d01e0        mysql                                                        "docker-entrypoint..."   3 months ago        Up 3 months                             k8s_mysql.16d54d16_mysql-pd7jr_default_0032bce0-2b0f-11eb-98ad-5254002dbd85_d775f414

可以看到，containerID的值是4784586d01e0

2、首先我們通過docker exec命令（關于這條命令的介紹，下面會有講述）進入一個容器里面，ps -ef命令查看進程：

[root@VM-16-13-centos service]# docker exec -it 4784586d01e0  bash
root@mysql-pd7jr:/# ps -ef
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
mysql        1     0  0  2020 ?        03:20:20 mysqld
root       882     0  0 09:42 ?        00:00:00 bash
root       888   882  0 09:46 ?        00:00:00 ps -ef

可以發(fā)現，mysqld這個進程的進程號是1.

這里我要多嘴一下：

1、docker exec -it 4784586d01e0 bash

這條指令是告訴容器，我要進入這個容器里面，并運行一個bash的指令。

2、如果你的docker里面不支持ps命令，你需要使用下面的命令安裝一下ps這個指令：

apt-get update & apt-get install procps

然后我們退出到容器外面，再次查看mysqld進程的進程號：

[root@VM-16-13-centos service]# ps -ef|grep mysql
root      5152  5059  0  2020 pts/5    00:00:00 mysql -uroot -px xxxx
root     13644 24879  0  2020 pts/4    00:00:00 mysql -uroot -px xxxx
polkitd  18853 18837  0  2020 ?        03:20:25 mysqld

發(fā)現進程號是18853。

可以得到一個結論，mysqld進程在容器里面和容器外面執(zhí)行的結果不一樣。

為什么會這樣？

其本質是docker容器中的進程被隔離在了一個新的環(huán)境中，使得這些進程只能看到重新計算過的PID號。前面我們說過，docker本質上是通過約束和修改進程的一些動態(tài)，將一個物理機上的進程"包"起來，我們看到的這個現象，就是"包"的結果。

那么Linux是如何將物理機進程進行的約束和修改呢？這里引入新的概念：

對于 Docker 等大多數 Linux 容器來說，Linux 的Cgroups 技術是用來制造約束的主要手段，而
Namespace 技術則是用來修改進程視圖的主要方法。

02 Cgroup技術和Namespace技術介紹

Namespace技術主要是為容器提供資源隔離用的。Namespace這個功能實現的方法比較簡單，通常情況下，我們創(chuàng)建Linux進程的時候，系統(tǒng)會執(zhí)行一個clone的命令，類似：

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

它返回的就是我們創(chuàng)建的進程的PID號。

而Namespace技術就是在Linux創(chuàng)建進程的時候，多了一個參數，這個新參數暫且稱之為newid，這樣，在容器內，我們看到的進程的PID號，就是這個newid了。這個Namespace我們稱之為PID Namespace。

除了這個Namespace,還有其他的，例如mount Namespace，Network Namespace等，分別是為了隔離掛載點和隔離網絡的。

當然，不是所有的資源都能夠被namespace化，例如時間和操作系統(tǒng)內核，就是一個服務器上的所有容器共享的。

容器一旦開始運行，我們需要控制它使用的機器資源，例如磁盤、內存、CPU等，否則它可能會耗盡物理機的資源，導致一些系統(tǒng)進程發(fā)生崩潰。Cgroup技術就是專門為Linux進程限制資源使用的。它的全程是Linux Control Group，它以文件和目錄的形式存放在/sys/fs/cgroups目錄下，如下：

[root@VM-16-13-centos service]# ls -l /sys/fs/cgroup/
total 0
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 blkio
lrwxrwxrwx 1 root root 11 Nov 20 11:38 cpu -> cpu,cpuacct
lrwxrwxrwx 1 root root 11 Nov 20 11:38 cpuacct -> cpu,cpuacct
drwxr-xr-x 5 root root  0 Nov 20 11:38 cpu,cpuacct
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 cpuset
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 devices
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 freezer
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 hugetlb
drwxr-xr-x 5 root root  0 Nov 20 11:38 memory
lrwxrwxrwx 1 root root 16 Nov 20 11:38 net_cls -> net_cls,net_prio
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 net_cls,net_prio
lrwxrwxrwx 1 root root 16 Nov 20 11:38 net_prio -> net_cls,net_prio
drwxr-xr-x 3 root root  0 Nov 20 11:38 perf_event
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 pids
drwxr-xr-x 4 root root  0 Nov 20 11:38 systemd

不同的文件目錄里面，存儲不同的資源種類被限制的值，其中，比較常用的：

blkio：為塊設備設置i/o限制，一般用于磁盤等設備

cpuset：為進程分配單獨的CPU核心和對應的內存節(jié)點

memory：為進程設定內存使用的限制。

當我們通過命令啟動容器之后，操作系統(tǒng)會把這個docker進程對應的PID填寫到對應控制組的文件中，從而控制當前進程使用的CPU資源值。