Docker是如何实现隔离的

Docker是如何实现隔离的

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微信公众号：《鲁智深菜园子》：Docker是如何实现隔离的

# 1、运行一个容器 运行一个简单的容器，这里以busybox镜像为例，它是一个常用的Linux工具箱，可以用来执行很多Linux命令，我们以它为镜像启动容器方便来查看容器内部环境。执行命令： `docker run -it --name demo_docker busybox /bin/sh` 启动一个busybox镜像的 Docker 容器，-it参数表示给容器提供一个输出/输出的交互环境，也就是TTY。/bin/sh表示容器交互运行的命令或者程序。

2、进程的隔离

执行成功后我们就会进入到了 Docker 容器内部,我们执行ps -ef 查看进程：

/ # ps -ef
PID   USER     TIME  COMMAND
    1 root      0:00 /bin/sh
    8 root      0:00 ps -ef

使用top命令查看进程资源：

Mem: 1757172K used, 106080K free, 190676K shrd, 129872K buff, 998704K cached
CPU:  0.0% usr  0.2% sys  0.0% nic 99.6% idle  0.0% io  0.0% irq  0.0% sirq
Load average: 0.00 0.01 0.05 2/497 9
  PID  PPID USER     STAT   VSZ %VSZ CPU %CPU COMMAND
    1     0 root     S     1300  0.0   1  0.0 /bin/sh
    9     1 root     R     1292  0.0   3  0.0 top

而我们在宿主机查看下当前执行容器的进程ps -ef|grep busybox：

root       5866   5642  0 01:19 pts/4    00:00:00 /usr/bin/docker-current run -it --name demo_docker busybox /bin/sh
root       5952   5759  0 01:20 pts/11   00:00:00 grep --color=auto busybox

对于宿主机 docker run 执行命令启动的只是一个进程，它的pid是5866。而对于容器程序本身来说，它被隔离了，在容器内部都只能看到自己内部的进程，那 Docker 是如何做到的呢？它其实是借助了Linux内核的Namespace技术来实现的。

结合一段C程序来模拟一下进程的隔离。

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mount.h>
/* 定义一个给 clone 用的栈，栈大小1M */
#define STACK_SIZE (1024 * 1024)
static char container_stack[STACK_SIZE];

char* const container_args[] = {
    "/bin/bash",
    NULL
};


int container_main(void* arg)
{
    printf("容器进程[%5d] ----进入容器!
",getpid());
    mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
    /**执行/bin/bash */
    execv(container_args[0], container_args);
    printf("出错啦!
");
    return 1;
}

int main()
{
    printf("宿主机进程[%5d] - 开始一个容器!
",getpid());
    /* 调用clone函数 */
    int container_pid = clone(container_main, container_stack+STACK_SIZE,  CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | SIGCHLD, NULL);
    /* 等待子进程结束 */
    waitpid(container_pid, NULL, 0);
    printf("宿主机 - 容器结束!
");
    return 0;
}

这段程序主要就是执行clone()函数，去克隆一个进程，而克隆执行的程序就是我们的container_main函数，接着下一个参数就是栈空间，然后CLONE_NEWPID和CLONE_NEWNS 表示Linux NameSpace的调用类别，分别表示创建新的进程命名空间和 挂载命名空间。

  • CLONE_NEWPID会让执行的程序内部重新编号PID，也就是从1号进程开始。
  • CLONE_NEWNS 会克隆新的挂载环境出来，通过在子进程内部重新挂载 proc文件夹，可以屏蔽父进程的进程信息。

执行一下这段程序来看看效果：
编译：
gcc container.c -o container
执行：

[root@host1 luozhou]# ./container 
宿主机进程[ 6061] - 开始一个容器!
容器进程[    1] ----进入容器!

在宿主机看来，这个程序的PID是6061，在克隆的子进程来看，它的PID是1，我们执行ps -ef 查看一下进程列表：

[root@host1 luozhou]# ps -ef
UID         PID   PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root          1      0  0 01:46 pts/2    00:00:00 /bin/bash
root         10      1  0 01:48 pts/2    00:00:00 ps -ef

我们发现确实只有容器内部的进程在运行了，再执行top命令:

 PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
     1 root      20   0  115576   2112   1628 S   0.0  0.1   0:00.00 bash
    11 root      20   0  161904   2124   1544 R   0.0  0.1   0:00.00 top

结果也只有2个进程的信息。

这就是容器隔离进程的基本原理了，Docker主要就是借助 Linux 内核技术Namespace来做到隔离的，其实包括我后面要说到文件的隔离，资源的隔离都是在新的命名空间下通过mount挂载的方式来隔离的。

4、文件的隔离

Docker 内部的文件系统如何隔离，也就是你在 Docker 内部执行 ls 显示的文件夹和文件如何来的。

我们还是以前面的 Docker 命令为例，执行ls：
bin dev etc home proc root run sys tmp usr var
发现容器内部已经包含了这些文件夹了，那么这些文件夹哪里来的呢？我们先执行docker info 来看看我们的 Docker 用到的文件系统是什么？

Server Version: 1.13.1
Storage Driver: overlay2

Docker 如何借助overlay2来变出这么多文件夹的。我们前面提到过，Docker都是通过mount 去挂载的,我们先找到我们的容器实例id。

执行docker ps -a |grep demo_docker
c0afd574aea7 busybox "/bin/sh" 42 minutes ago Up 42 minutes

再根据我们的容器ID 去查找挂载信息，执行cat /proc/mounts | grep c0afd574aea7:
shm /var/lib/docker/containers/c0afd574aea716593ceb4466943bbd13e3a081bf84da0779ee43600de0df384b/shm tmpfs rw,context="system_u:object_r:container_file_t:s0:c740,c923",nosuid,nodev,noexec,relatime,size=65536k 0 0

找到overlay2的挂载信息，所以这里我们还需要执行一个命令:

cat /proc/mounts | grep system_u:object_r:container_file_t:s0:c740,c923

overlay /var/lib/docker/overlay2/9c9318031bc53dfca45b6872b73dab82afcd69f55066440425c073fe681109d3/merged overlayrw,context="system_u:object_r:container_file_t:s0:c740,c923",relatime,lowerdir=/var/lib/docker/overlay2/l/FWESUOVO6DYTXBBJIQBPUWLN6K:/var/lib/docker/overlay2/l/XPKQU6AMUX3AKLAX2BR6V4JQ3R,upperdir=/var/lib/docker/overlay2/9c9318031bc53dfca45b6872b73dab82afcd69f55066440425c073fe681109d3/diff,workdir=/var/lib/docker/overlay2/9c9318031bc53dfca45b6872b73dab82afcd69f55066440425c073fe681109d3/work 0 0
shm /var/lib/docker/containers/c0afd574aea716593ceb4466943bbd13e3a081bf84da0779ee43600de0df384b/shm tmpfsrw,context="system_u:object_r:container_file_t:s0:c740,c923",nosuid,nodev,noexec,relatime,size=65536k 0 0

这里overlay挂载并没有和容器id关联起来，所以我们直接根据容器id是找不到 overlay挂载信息的，这里借助了context 去关联的，所以我们通过context就找到了我们挂载的地址啦。我们进入目录看看结果

[root@host1 l]# ls /var/lib/docker/overlay2/9c9318031bc53dfca45b6872b73dab82afcd69f55066440425c073fe681109d3/merged
bin  dev  etc  home  proc  root  run  sys  tmp  usr  var

发现这个和我们容器的目录是一致的。

5、资源的限制

Docker 还是可以限制资源使用的，比如 CPU 和内存等。
在Linux 中，一切皆文件，所以Cgroups技术也会体现在文件中，我们执行mount -t cgroup 就可以看到Cgroups的挂载情况。

cgroup on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,xattr,release_agent=/usr/lib/systemd/systemd-cgroups-agent,name=systemd)
cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,devices)
cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,net_prio,net_cls)
cgroup on /sys/fs/cgroup/hugetlb type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,hugetlb)
cgroup on /sys/fs/cgroup/perf_event type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,perf_event)
cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,freezer)
cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,blkio)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,cpuacct,cpu)
cgroup on /sys/fs/cgroup/pids type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,pids)
cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,memory)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel,cpuset)

看到上面挂载的目录有包括 cpu和memory 那我们猜测大概就是在这个文件夹下面配置限制信息的了。我们跑一个容器来验证下，执行命令：

docker run -d --name='cpu_set_demo' --cpu-period=100000 --cpu-quota=20000 busybox md5sum /dev/urandom

这个命令表示我们需要启动一个容器，这个容器一直产生随机数进行md5计算来消耗CPU，–cpu-period=100000 --cpu-quota=20000表示限制 CPU 使用率在20%。

查看进程消耗情况发现 刚刚启动的容器资源确实被限制在20%，说明 Docker 的CPU限制参数起作用了。
这里的配置肯定是和容器实例id挂钩的，我的文件路径是在/sys/fs/cgroup/cpu/system.slice/docker-5bbf589ae223b347c0d10b7e97cd1461ef82149a6d7fb144e8b01fcafecad036.scope下，5bbf589ae223b347c0d10b7e97cd1461ef82149a6d7fb144e8b01fcafecad036 就是我们启动的容器id了。
切换到上面的文件夹下，查看我们设置的参数：

[root@host1]# cat cpu.cfs_period_us
100000
[root@host1]# cat cpu.cfs_quota_us
20000

发现这里我们的容器启动设置参数一样,也就是说通过这里的文件值来限制容器的cpu使用情况。这里需要注意的是，不同的Linux版本 Docker Cgroup 文件位置可能不一样，有些是在/sys/fs/cgroup/cpu/docker/ID/ 下。

7、与传统虚拟机技术的区别

虚拟机技术是完全虚拟出一个单独的系统，有这个系统去处理应用的各种运行请求，所以它实际上对于性能来说是有影响的。而 Docker 技术 完全是依赖 Linux 内核特性 Namespace 和Cgroup 技术来实现的，本质来说：你运行在容器的应用在宿主机来说还是一个普通的进程，还是直接由宿主机来调度的，相对来说，性能的损耗就很少，这也是 Docker 技术的重要优势。

Docker 技术由于 还是一个普通的进程，所以隔离不是很彻底，还是共用宿主机的内核，在隔离级别和安全性上没有虚拟机高，这也是它的一个劣势。

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