從零開始寫 Docker(九)---實現 mydocker ps 檢視執行中的容器

探索云原生發表於2024-03-26

本文為從零開始寫 Docker 系列第九篇，實現類似 docker ps 的功能，使得我們能夠查詢到後臺執行中的所有容器。

完整程式碼見：https://github.com/lixd/mydocker
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推薦閱讀以下文章對 docker 基本實現有一個大致認識：

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開發環境如下：

root@mydocker:~# lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 20.04.2 LTS
Release:	20.04
Codename:	focal
root@mydocker:~# uname -r
5.4.0-74-generic

注意：需要使用 root 使用者

1. 概述

上一篇已經實現了mydocker run -d 命令，可以讓容器脫離父程序在後臺獨立執行。

那麼我們怎麼知道有哪些容器在執行，而且它們的資訊又是什麼呢?

這裡就需要實現 mydocker ps 命令了。其實 mydocker ps 命令比較簡單，主要是去約定好的位置查詢一下容器的資訊資料，然後顯示出來，因此資料準備就顯得尤為重要。

因此整個實現分為兩部分：

1）容器執行時記錄資料
2）mydocker ps 查詢資料

對於 docker 來說，他會把容器資訊儲存在var/lib/docker/containers 目錄下。

讀取 var/lib/docker/containers 目錄下的所有資料夾就能拿到當前系統中的容器
讀取/var/lib/docker/containers/{containerID}/config.v2.json 檔案即可拿到對應容器的詳細資訊。

我們也參考著 Docker 實現即可。

2. 記錄容器資訊

在前面章節建立的容器中，所有關於容器的資訊，比如PID、容器建立時間、容器執行命令等，都沒有記錄，這導致容器執行完後就再也不知道它的資訊了，因此需要把這部分資訊保留下來。

具體實現則是建立容器時將相關資訊寫入/var/lib/mydocker/containers/{containerId}/config.json 檔案中。

具體流程如下圖所示：

提供 -name flag

首先，要在 runCommand flag 裡面增加一個 name 標籤,方便使用者啟動容器時指定容器的名字。

var runCommand = cli.Command{
    Name: "run",
    Usage: `Create a container with namespace and cgroups limit
          mydocker run -it [command]`,
    Flags: []cli.Flag{
       // 省略其他內容
       cli.StringFlag{
          Name:  "name",
          Usage: "container name",
       },
    },
        Action: func(context *cli.Context) error {
       // 把namne傳遞給Run方法
       containerName := context.String("name")
       Run(tty, cmdArray, resConf, volume, containerName)
       return nil
    },

recordContainerInfo

然後，需要增加一個 record 方法記錄容器的相關資訊。在增加之前，需要一個 ID 生成器，用來唯一標識容器。

使用過 Docker 的都知道，每個容器都會有一個 ID,為了方便起見，mydocker 中就用 10 位數字來表示一個容器的 ID。

func randStringBytes(n int) string {
    letterBytes := "1234567890"
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    b := make([]byte, n)
    for i := range b {
       b[i] = letterBytes[rand.Intn(len(letterBytes))]
    }
    return string(b)
}

另外就是記錄容器資訊這個重要的環節，我們先定義了一個容器的一些基本資訊，比如 PID 和建立時間等，然後預設把容器的資訊以 json 的形式儲存在宿主機的/var/run/mydocker/容器名/config.json檔案裡面。

容器完整資訊的基本格式如下:

type Info struct {
    Pid         string `json:"pid"`        // 容器的init程序在宿主機上的 PID
    Id          string `json:"id"`         // 容器Id
    Name        string `json:"name"`       // 容器名
    Command     string `json:"command"`    // 容器內init執行命令
    CreatedTime string `json:"createTime"` // 建立時間
    Status      string `json:"status"`     // 容器的狀態
}

然後就開始記錄容器資訊：

func RecordContainerInfo(containerPID int, commandArray []string, containerName, containerId string) error {
	// 如果未指定容器名，則使用隨機生成的containerID
	if containerName == "" {
		containerName = containerId
	}
	command := strings.Join(commandArray, "")
	containerInfo := &Info{
		Id:          containerId,
		Pid:         strconv.Itoa(containerPID),
		Command:     command,
		CreatedTime: time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"),
		Status:      RUNNING,
		Name:        containerName,
	}

	jsonBytes, err := json.Marshal(containerInfo)
	if err != nil {
		return errors.WithMessage(err, "container info marshal failed")
	}
	jsonStr := string(jsonBytes)
	// 拼接出儲存容器資訊檔案的路徑，如果目錄不存在則級聯建立
	dirPath := fmt.Sprintf(InfoLocFormat, containerId)
	if err := os.MkdirAll(dirPath, constant.Perm0622); err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "mkdir %s failed", dirPath)
	}
	// 將容器資訊寫入檔案
	fileName := path.Join(dirPath, ConfigName)
	file, err := os.Create(fileName)
	defer file.Close()
	if err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "create file %s failed", fileName)
	}
	if _, err = file.WriteString(jsonStr); err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "write container info to  file %s failed", fileName)
	}
	return nil
}

實際就是把容器的資訊序列化之後持久化到磁碟的/var/run/{containerID}/config.json檔案裡。

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Run 方法修改

最後，在 Run 函式上加上對於這個函式的呼叫，程式碼如下：

func Run(tty bool, comArray []string, res *subsystems.ResourceConfig, volume, containerName string) {
	containerId := container.GenerateContainerID() // 生成 10 位容器 id

	parent, writePipe := container.NewParentProcess(tty, volume)
	if parent == nil {
		log.Errorf("New parent process error")
		return
	}
	if err := parent.Start(); err != nil {
		log.Errorf("Run parent.Start err:%v", err)
		return
	}

	// record container info
	err := container.RecordContainerInfo(parent.Process.Pid, comArray, containerName, containerId)
	if err != nil {
		log.Errorf("Record container info error %v", err)
		return
	}

	// 建立cgroup manager, 並透過呼叫set和apply設定資源限制並使限制在容器上生效
	cgroupManager := cgroups.NewCgroupManager("mydocker-cgroup")
	defer cgroupManager.Destroy()
	_ = cgroupManager.Set(res)
	_ = cgroupManager.Apply(parent.Process.Pid, res)

	// 在子程序建立後才能透過pipe來傳送引數
	sendInitCommand(comArray, writePipe)
	if tty { // 如果是tty，那麼父程序等待，就是前臺執行，否則就是跳過，實現後臺執行
		_ = parent.Wait()
		container.DeleteWorkSpace("/root/", volume)
		container.DeleteContainerInfo(containerId)
	}
}

另外再容器退出後，就需要刪除容器的相關資訊，實現也很簡單，把對應目錄的資訊都刪除就好了。

func DeleteContainerInfo(containerID string) {
	dirPath := fmt.Sprintf(InfoLocFormat, containerID)
	if err := os.RemoveAll(dirPath); err != nil {
		log.Errorf("Remove dir %s error %v", dirPath, err)
	}
}

到此為止，就完成了資訊的收集。容器建立後，所有需要的資訊都被儲存到/var/lib/mydocker/containers/{containerID}下，下面就可以透過讀取並遍歷這個目錄下的容器去實現 mydocker ps 命令了。

3. 實現 mydocker ps

具體實現則是遍歷 /var/lib/mydocker/containers/ 目錄，解析得到容器資訊並彙總後以表格形式列印出來。

具體流程如下圖所示：

listCommand

首先在 main_command.go 中增加 ps 命令：

var listCommand = cli.Command{
    Name:  "ps",
    Usage: "list all the containers",
    Action: func(context *cli.Context) error {
       ListContainers()
       return nil
    },
}

在 main.go 中引用該命令：

func main {
    // 省略其他內容
    app.Commands = []cli.Command{
       initCommand,
       runCommand,
       commitCommand,
       listCommand,
    }
}

具體實現見 ListContainers 方法。

ListContainers

整體實現也比較簡單：

首先遍歷存放容器資料的/var/lib/mydocker/containers/目錄，裡面每一個子目錄都是一個容器。
然後使用 getContainerInfo 方法解析子目錄中的 config.json 檔案拿到容器資訊
最後格式化成 table 形式列印出來即可

func ListContainers() {
	// 讀取存放容器資訊目錄下的所有檔案
	files, err := os.ReadDir(container.InfoLoc)
	if err != nil {
		log.Errorf("read dir %s error %v", container.InfoLoc, err)
		return
	}
	containers := make([]*container.Info, 0, len(files))
	for _, file := range files {
		tmpContainer, err := getContainerInfo(file)
		if err != nil {
			log.Errorf("get container info error %v", err)
			continue
		}
		containers = append(containers, tmpContainer)
	}
	// 使用tabwriter.NewWriter在控制檯列印出容器資訊
	// tabwriter 是引用的text/tabwriter類庫，用於在控制檯列印對齊的表格
	w := tabwriter.NewWriter(os.Stdout, 12, 1, 3, ' ', 0)
	_, err = fmt.Fprint(w, "ID\tNAME\tPID\tSTATUS\tCOMMAND\tCREATED\n")
	if err != nil {
		log.Errorf("Fprint error %v", err)
	}
	for _, item := range containers {
		_, err = fmt.Fprintf(w, "%s\t%s\t%s\t%s\t%s\t%s\n",
			item.Id,
			item.Name,
			item.Pid,
			item.Status,
			item.Command,
			item.CreatedTime)
		if err != nil {
			log.Errorf("Fprint error %v", err)
		}
	}
	if err = w.Flush(); err != nil {
		log.Errorf("Flush error %v", err)
	}
}

getContainerInfo

具體的解析方法則提取到了 getContainerInfo。

讀取檔案內容，並反序列化得到容器資訊。

func getContainerInfo(file os.DirEntry) (*container.Info, error) {
	// 根據檔名拼接出完整路徑
	configFileDir := fmt.Sprintf(container.InfoLocFormat, file.Name())
	configFileDir = path.Join(configFileDir, container.ConfigName)
	// 讀取容器配置檔案
	content, err := os.ReadFile(configFileDir)
	if err != nil {
		log.Errorf("read file %s error %v", configFileDir, err)
		return nil, err
	}
	info := new(container.Info)
	if err = json.Unmarshal(content, info); err != nil {
		log.Errorf("json unmarshal error %v", err)
		return nil, err
	}

	return info, nil
}

4. 測試

測試以下功能：

建立容器後能否記錄資訊到檔案
mydocker ps 能否正常讀取並展示容器資訊

記錄容器資訊

分別測試指定容器名稱和不知道名稱兩種情況。

指定名稱

透過--name 指定容器名稱，並透過-d 指定後臺執行：

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ./mydocker run -d -name runtop top
{"level":"info","msg":"createTty false","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"busybox:/root/busybox busybox.tar:/root/busybox.tar","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/merged error. mkdir /root/merged: file exists","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/upper error. mkdir /root/upper: file exists","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/work error. mkdir /root/work: file exists","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/root/busybox,upperdir=/root/upper,workdir=/root/work /root/merged]","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is top","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}

可以看到此時，命令已經退出了，查詢容器(top 命令)是否在後臺執行。

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ps -ef|grep -e PPID -e top
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root      169514       1  0 14:20 pts/8    00:00:00 top

後臺確實有一個 top 命令在執行，PID 為 169514。

檢視 /var/lib/mydocker/containers 目錄，是否新增了容器資訊記錄檔案

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers
5633481844
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers/5633481844/
config.json
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# cat /var/lib/mydocker/containers/5633481844/config.json
{"pid":"169514","id":"5633481844","name":"runtop","command":"top","createTime":"2024-01-25 14:20:11","status":"running"}

可以看到，config.json 檔案記錄了容器名稱，id、pid、command 等資訊，基於這些資訊，我們執行 mydocker ps 時就可以列出當前正在執行的容器資訊了。

不指定名稱

在測試一下不指定名稱的容器，能否正常記錄。

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ./mydocker run -d  top
{"level":"info","msg":"createTty false","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"busybox:/root/busybox busybox.tar:/root/busybox.tar","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/merged error. mkdir /root/merged: file exists","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/upper error. mkdir /root/upper: file exists","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/work error. mkdir /root/work: file exists","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/root/busybox,upperdir=/root/upper,workdir=/root/work /root/merged]","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is top","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}

檢視 /var/lib/mydocker/containers 目錄是否新增記錄檔案

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers
5633481844  8636128862
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers/8636128862/
config.json
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# cat /var/lib/mydocker/containers/8636128862/config.json
{"pid":"169707","id":"8636128862","name":"8636128862","command":"top","createTime":"2024-01-25 14:22:28","status":"running"

可以看到，新增了 8636128862 目錄，其中 8636128862 就是容器 ID，對於未指定名稱的容器，會使用生成的 id 作為名稱。

接著檢視一下/var/lib/mydocker/containers目錄結構：

root@mydocker:/var/lib/mydocker/containers# tree .
.
├── 5633481844
│   └── config.json
└── 8636128862
    └── config.json

可以看到，mydocker 分別在該路徑下建立了兩個資料夾，分別以容器的ID命名。

子目錄裡面的config.json 儲存了容器的詳細資訊。

至此，說明我們的容器資訊記錄功能是正常的。

mydocker ps

最後測試 mydocker ps 命令能否正常展示，容器資訊。

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ./mydocker ps
ID           NAME         PID         STATUS      COMMAND     CREATED
5633481844   runtop       169514      running     top         2024-01-25 14:20:11
8636128862   8636128862   169707      running     top         2024-01-25 14:22:28

成功列印出了當前執行中的兩個容器，說明 mydocker ps 命令是 ok 的。

5. 總結

本篇實現的 mydocker ps 比較簡單，和 docker 實現基本類似：

容器啟動把資訊儲存在var/lib/mydocker/containers 目錄下
讀取 var/lib/mydocker/containers 目錄下的所有資料夾就能拿到當前系統中的容器
讀取/var/lib/mydocker/containers/{containerID}/config.json 檔案即可拿到對應容器的詳細資訊。

不過現在由於沒有隔離每個容器的 rootfs，因此啟動多個容器時會出現一些問題,不過不是本篇重點，暫時先不關注，等後續統一處理。

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完整程式碼見：https://github.com/lixd/mydocker
歡迎關注~

相關程式碼見 feat-volume 分支,測試指令碼如下：

需要提前在 /root 目錄準備好 busybox.tar 檔案，具體見第四篇第二節。

# 克隆程式碼
git clone -b feat-ps https://github.com/lixd/mydocker.git
cd mydocker
# 拉取依賴並編譯
go mod tidy
go build .
# 測試 
./mydocker run -d -name c1 top

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