Linux技術(shù)：Docker如何欺騙容器中的進(jìn)程

多年前的一個夜晚，風(fēng)雨大作，一個名叫Docker的年輕人來到Linux帝國拜見帝國的長老。

“Linux長老，天下程序員苦于應(yīng)用部署久矣，我要改變這一現(xiàn)狀，希望長老你能幫幫我”

長老回答：“哦，小小年紀(jì)，口氣不小，先請入座，你有何所求，愿聞其詳”

Docker坐下后開始侃侃而談：“當(dāng)今天下，應(yīng)用開發(fā)、測試、部署，各種庫的依賴紛繁復(fù)雜，再加上版本之間的差異，經(jīng)常出現(xiàn)在開發(fā)環(huán)境運(yùn)行正常，而到測試環(huán)境和線上環(huán)境就出問題的現(xiàn)象，程序員們飽受此苦，是時(shí)候改變這一狀況了?！?/p>

Docker回頭看了一眼長老接著說到：“我想做一個虛擬的容器，讓應(yīng)用程序們運(yùn)行其中，將它們需要的依賴環(huán)境整體打包，以便在不同機(jī)器上移植后，仍然能提供一致的運(yùn)行環(huán)境，徹底將程序員們解放出來！”

Linux長老聽聞，微微點(diǎn)頭：“年輕人想法不錯，不過聽你的描述，好像虛擬機(jī)就能解決這個問題。將應(yīng)用和所依賴的環(huán)境部署到虛擬機(jī)中，然后做個快照，直接部署虛擬機(jī)不就可以了嗎？”

Docker連連搖頭說到：“長老有所不知，虛擬機(jī)這家伙笨重如牛，體積又大，動不動就是以G為單位的大小，因?yàn)樗锩嬉\(yùn)行一個完整的操作系統(tǒng)，所以跑起來格外費(fèi)勁，慢就不說了，還非常占資源，一臺機(jī)器上跑不了幾臺虛擬機(jī)就把性能拖垮了！而我想要做一個輕量級的虛擬容器，只提供一個運(yùn)行環(huán)境，不用運(yùn)行一個操作系統(tǒng)，所有容器中的系統(tǒng)內(nèi)核還是和外面的宿主機(jī)共用的，這樣就可以批量復(fù)制很多個容器，輕便又快捷”

Linux長老站了起來，來回踱步了幾圈，思考片刻之后，忽然拍桌子大聲說到：“真是個好想法，這個項(xiàng)目我投了！”

Docker眼里見光，喜上眉梢，“這事還真離不開長老的幫助，要實(shí)現(xiàn)我說的目標(biāo)，對進(jìn)程的管理隔離都至關(guān)重要，還望長老助我一臂之力！”

“你稍等”，Linux長老轉(zhuǎn)身回到內(nèi)屋。沒多久就出來了，手里拿了些什么東西。

“年輕人，回去之后，盡管放手大干，我賜你三個錦囊，若遇難題，可依次拆開，必有大用”

Docker開心的收下了三個錦囊，拜別Linux長老后，冒雨而歸。

錦囊1：chroot & pivot_root

受到長老的鼓勵，Docker充滿了干勁，很快就準(zhǔn)備啟動他的項(xiàng)目。

作為一個容器，首要任務(wù)就是限制容器中進(jìn)程的活動范圍——能訪問的文件系統(tǒng)目錄。決不能讓容器中的進(jìn)程去肆意訪問真實(shí)的系統(tǒng)目錄，得將他們的活動范圍劃定到一個指定的區(qū)域，不得越雷池半步！

到底該如何限制這些進(jìn)程的活動區(qū)域呢？Docker遇到了第一個難題。

苦思良久未果，Docker終于忍不住拆開了Linux長老送給自己的第一個錦囊，只見上面寫了兩個函數(shù)的名字：chroot & pivot_root。

Docker從未使用過這兩個函數(shù)，于是在Linux帝國四處打聽它們的作用。后來得知，通過這兩個函數(shù)，可以修改進(jìn)程和系統(tǒng)的根目錄到一個新的位置。Docker大喜，長老真是誠不欺我！

有了這兩個函數(shù)，Docker開始想辦法怎么來“偽造”一個文件系統(tǒng)來欺騙容器中的進(jìn)程。

為了不露出破綻，Docker很聰明，用操作系統(tǒng)鏡像文件掛載到容器進(jìn)程的根目錄下，變成容器的rootfs，和真實(shí)系統(tǒng)目錄一模一樣，足可以以假亂真：

$?ls?/
bin?dev?etc?home?lib?lib64?mnt?opt?proc?root?run?sbin?sys?tmp?usr?var

錦囊2：namespace

文件系統(tǒng)的問題總算解決了，但是Docker不敢懈怠，因?yàn)樵谒睦?，還有一個大問題一直困擾著他，那就是如何把真實(shí)系統(tǒng)所在的世界隱藏起來，別讓容器中的進(jìn)程看到。

比如進(jìn)程列表、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、用戶列表這些，是決不能讓容器中的進(jìn)程知道的，得讓他們看到的世界是一個干凈如新的系統(tǒng)。

Docker心里清楚，自己雖然叫容器，但這只是表面現(xiàn)象，容器內(nèi)的進(jìn)程其實(shí)和自己一樣，都是運(yùn)行在宿主操作系統(tǒng)上面的一個個進(jìn)程，想要遮住這些進(jìn)程的眼睛，瞞天過海，實(shí)在不是什么容易的事情。

Docker想過用HOOK的方式，欺騙進(jìn)程，但實(shí)施起來工作太過復(fù)雜，兼容性差，穩(wěn)定性也得不到保障，思來想去也沒想到什么好的主意。

正在一籌莫展之際，Docker又想起了Linux長老送給自己的錦囊，他趕緊拿了出來，打開了第二個錦囊，只見上面寫著：namespace。

Docker還是不解其中之意，于是又在Linux帝國到處打聽什么是namespace。

經(jīng)過一陣琢磨，Docker總算是明白了，原來這個namespace是帝國提供的一種機(jī)制，通過它可以劃定一個個的命名空間，然后把進(jìn)程劃分到這些命名空間中。

而每個命名空間都是獨(dú)立存在的，命名空間里面的進(jìn)程都無法看到空間之外的進(jìn)程、用戶、網(wǎng)絡(luò)等等信息。

這不正是Docker想要的嗎？真是踏破鐵鞋無覓處，得來全不費(fèi)功夫！

Docker趕緊加班加點(diǎn)，用上了這個namespace，將進(jìn)程的“視野”鎖定在容器規(guī)定的范圍內(nèi)，如此一來，容器內(nèi)的進(jìn)程彷佛被施上了障眼法，再也看不到外面的世界。

錦囊3：CGroup

文件系統(tǒng)和進(jìn)程隔離的問題都解決了，Docker心里的石頭總算是放下了。心里著急著想測試自己的容器，可又好奇這最后一個錦囊寫的是什么，于是打開了第三個錦囊，只見上面寫著：CGroup。

這又是什么東西？Docker仍然看不懂，不過這一次管不了那么許多了，先運(yùn)行起來再說。

試著運(yùn)行了一段時(shí)間，一切都在Docker的計(jì)劃之中，容器中的進(jìn)程都能正常的運(yùn)行，都被他構(gòu)建的虛擬文件系統(tǒng)和隔離出來的系統(tǒng)環(huán)境給欺騙了，Docker高興壞了！

很快，Docker就開始在Linux帝國推廣自己的容器技術(shù)，結(jié)果大受歡迎，收獲了無數(shù)粉絲，連nginx、redis等一眾大佬都紛紛入駐。

然而，鮮花與掌聲的背后，Docker卻不知道自己即將大難臨頭。

這天，Linux帝國內(nèi)存管理部的人扣下了Docker準(zhǔn)備“處決”掉他，Docker一臉詫異的問到，“到底發(fā)生了什么事，為什么要對我下手？”

管理人員厲聲說到：“帝國管理的內(nèi)存快被一個叫Redis的家伙用光了，現(xiàn)在要挑選一些進(jìn)程來殺掉，不好意思，你中獎了”

Redis？這家伙不是我容器里的進(jìn)程嗎？Docker心中一驚！

“兩位大人，我認(rèn)識帝國的長老，麻煩通融通融，找別人去吧，Redis那家伙，我有辦法收拾他”

沒想到他還認(rèn)識帝國長老，管理人員猶豫了一下，就放了Docker到別處去了。

驚魂未定的Docker，思來想去，如果不對容器中的進(jìn)程加以管束，那簡直太危險(xiǎn)了！除了內(nèi)存，還有CPU、硬盤、網(wǎng)絡(luò)等等資源，如果某個容器進(jìn)程霸占著CPU不放手，又或者某個容器進(jìn)程瘋狂寫硬盤，那遲早得連累到自己身上?？磥肀仨毜脤@些進(jìn)程進(jìn)行管控，防止他們干出出格的事來。

這時(shí)候，他想起了Linux長老的第三個錦囊：CGroup！說不定能解這燃眉之急。

經(jīng)過一番研究，Docker如獲至寶，原來這CGroup和namespace類似，也是Linux帝國的一套機(jī)制，通過它可以劃定一個個的分組，然后限制每個分組能夠使用的資源，比如內(nèi)存的上限值、CPU的使用率、硬盤空間總量等等。系統(tǒng)內(nèi)核會自動檢查和限制這些分組中的進(jìn)程資源使用量。