Docker技術三大要點：cgroup, namespace和unionFS的理解

www.docker.com 的網頁有這樣一張有意思的動畫：

從這張gif圖片，我們不難看出Docker網站想傳達這樣一條資訊, 使用Docker加速了build，ship和run的過程。

Docker最早問世是2013年，以一個開源專案的方式被大家熟知。

Docker的奠基者是dotcloud，一家開發PaaS平臺的技術公司。

不過可惜的是，這家公司把Docker開源之後，於2016年倒閉了，因為其主業務PaaS無法和微軟，亞馬遜等PaaS業界巨頭競爭，不禁讓人唏噓。

Docker其實是容器化技術的具體技術實現之一，採用go語言開發。很多朋友剛接觸Docker時，認為它就是一種更輕量級的虛擬機器，這種認識其實是錯誤的，Docker和虛擬機器有本質的區別。容器本質上講就是執行在作業系統上的一個程式，只不過加入了對資源的隔離和限制。而Docker是基於容器的這個設計思想，基於Linux Container技術實現的核心管理引擎。

為什麼資源的隔離和限制在雲時代更加重要？在預設情況下，一個作業系統裡所有執行的程式共享CPU和記憶體資源，如果程式設計不當，最極端的情況，某程式出現死迴圈可能會耗盡CPU資源，或者由於記憶體洩漏消耗掉大部分系統資源，這在企業級產品場景下是不可接受的，所以程式的資源隔離技術是非常必要的。

我當初剛接觸Docker時，以為這是一項新的技術發明，後來才知道，Linux作業系統本身從作業系統層面就支援虛擬化技術，叫做Linux container，也就是大家到處能看到的LXC的全稱。

LXC的三大特色：cgroup，namespace和unionFS。

cgroup：

CGroups 全稱control group，用來限定一個程式的資源使用，由Linux 核心支援，可以限制和隔離Linux程式組 (process groups) 所使用的物理資源 ，比如cpu，記憶體，磁碟和網路IO，是Linux container技術的物理基礎。

namespace：

另一個維度的資源隔離技術，大家可以把這個概念和我們熟悉的C++和Java裡的namespace相對照。

如果CGroup設計出來的目的是為了隔離上面描述的物理資源，那麼namespace則用來隔離PID(程式ID),IPC,Network等系統資源。

我們現在可以將它們分配給特定的Namespace，每個Namespace裡面的資源對其他Namespace都是透明的。

不同container內的程式屬於不同的Namespace，彼此透明，互不干擾。

我們用一個例子來理解namespace的必要。

假設多個使用者購買了一臺Linux伺服器的Nginx服務，每個使用者在該伺服器上被分配了一個Linux系統的賬號。我們希望每個使用者只能訪問分配給其的資料夾，這當然可以通過Linux檔案系統本身的許可權控制來實現，即一個使用者只能訪問屬於他本身的那些資料夾。

但是有些操作仍然需要系統級別的許可權，比如root，但我們肯定不可能給每個使用者都分配root許可權。因此我們就可以使用namespace技術：

我們能夠為UID = n的使用者，虛擬化一個namespace出來，在這個namespace裡面，該使用者具備root許可權，但是在宿主機上，該UID =n的使用者還是一個普通使用者，也感知不到自己其實不是一個真的root使用者這件事。

同樣的方式可以通過namespace虛擬化程式樹。

在每一個namespace內部，每一個使用者都擁有一個屬於自己的init程式，pid = 1，對於該使用者來說，彷彿他獨佔一臺物理的Linux伺服器。

對於每一個名稱空間，從使用者看起來，應該像一臺單獨的Linux計算機一樣，有自己的init程式(PID為1)，其他程式的PID依次遞增，A和B空間都有PID為1的init程式，子容器的程式對映到父容器的程式上，父容器可以知道每一個子容器的執行狀態，而子容器與子容器之間是隔離的。從圖中我們可以看到，程式3在父名稱空間裡面PID 為3，但是在子名稱空間內，他就是1.也就是說使用者從子名稱空間 A 內看程式3就像 init 程式一樣，以為這個程式是自己的初始化程式，但是從整個 host 來看，他其實只是3號程式虛擬化出來的一個空間而已。

看下面的圖加深理解。

父容器有兩個子容器，父容器的名稱空間裡有兩個程式，id分別為3和4, 對映到兩個子名稱空間後，分別成為其init程式，這樣名稱空間A和B的使用者都認為自己獨佔整臺伺服器。

Linux作業系統到目前為止支援的六種namespace：

unionFS：

顧名思義，unionFS可以把檔案系統上多個目錄(也叫分支)內容聯合掛載到同一個目錄下，而目錄的物理位置是分開的。

要理解unionFS，我們首先要認識bootfs和rootfs。

1. boot file system （bootfs）：包含作業系統boot loader 和 kernel。使用者不會修改這個檔案系統。

一旦啟動完成後，整個Linux核心載入進記憶體，之後bootfs會被解除安裝掉，從而釋放出記憶體。

同樣核心版本的不同的 Linux 發行版，其bootfs都是一致的。

2. root file system （rootfs）：包含典型的目錄結構，包括 /dev, /proc, /bin, /etc, /lib, /usr, and /tmp

就是我下面這張圖裡的這些資料夾：

等再加上要執行使用者應用所需要的所有配置檔案，二進位制檔案和庫檔案。這個檔案系統在不同的Linux 發行版中是不同的。而且使用者可以對這個檔案進行修改。

Linux 系統在啟動時，roofs 首先會被掛載為只讀模式，然後在啟動完成後被修改為讀寫模式，隨後它們就可以被修改了。

不同的Linux版本，實現unionFS的技術可能不一樣，使用命令docker info檢視，比如我的機器上實現技術是overlay2：

看個實際的例子。

新建兩個資料夾abap和java，在裡面用touch命名分別建立兩個空檔案：

新建一個mnt資料夾，用mount命令把abap和java資料夾merge到mnt資料夾下，-t執行檔案系統型別為aufs：

sudo mount -t aufs -o dirs=./abap:./java none ./mnt

mount完成後，到mnt資料夾下檢視，發現了來自abap和java資料夾裡總共4個檔案：

現在我到java資料夾裡修改spring，比如加上一行spring is awesome, 然後到mnt資料夾下檢視，發現mnt下面的檔案內容也自動被更新了。

那麼反過來會如何呢？比如我修改mnt資料夾下的aop檔案：

而java資料夾下的原始檔案沒有受到影響：

實際上這就是Docker容器映象分層實現的技術基礎。如果我們瀏覽Docker hub，能發現大多數映象都不是從頭開始製作，而是從一些base映象基礎上建立，比如debian基礎映象。

而新映象就是從基礎映象上一層層疊加新的邏輯構成的。這種分層設計，一個優點就是資源共享。

想象這樣一個場景，一臺宿主機上執行了100個基於debian base映象的容器，難道每個容器裡都有一份重複的debian拷貝呢？這顯然不合理；藉助Linux的unionFS，宿主機只需要在磁碟上儲存一份base映象，記憶體中也只需要載入一份，就能被所有基於這個映象的容器共享。

當某個容器修改了基礎映象的內容，比如 /bin資料夾下的檔案，這時其他容器的/bin資料夾是否會發生變化呢？

根據容器映象的寫時拷貝技術，某個容器對基礎映象的修改會被限制在單個容器內。

這就是我們接下來要學習的容器 Copy-on-Write 特性。

容器映象由多個映象層組成，所有映象層會聯合在一起組成一個統一的檔案系統。如果不同層中有一個相同路徑的檔案，比如 /text，上層的 /text 會覆蓋下層的 /text，也就是說使用者只能訪問到上層中的檔案 /text。

假設我有如下這個dockerfile：

FROM debian

RUN apt-get install emacs

RUN apt-get install apache2

CMD ["/bin/bash"]

執行docker build .看看發生了什麼。

生成的容器映象如下：

當用docker run啟動這個容器時，實際上在映象的頂部新增了一個新的可寫層。這個可寫層也叫容器層。

容器啟動後，其內的應用所有對容器的改動，檔案的增刪改操作都只會發生在容器層中，對容器層下面的所有隻讀映象層沒有影響。

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