当我们谈容器的时候，我们在谈什么

2022-02-12 331

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简介： Docker 在当下很火，那么，当我们谈 Docker ，谈容器的时候，我们在谈什么？或者说，你对 Docker ，对容器了解吗？容器，到底是怎么一回事儿？

Linux 容器

这篇文章着重来讲一下 Linux 容器，为什么强调 Linux 容器，而不是 Docker ，是因为 Docker 是基于虚拟化技术来实现的，但是这篇文章涉及到 Linux 容器的核心实现方面，两者不同，所以着重强调一下。

容器其实是一种沙盒技术。顾名思义，沙盒就是能够像一个集装箱一样，把你的应用装起来。这样，应用与应用之间就有了边界而不会相互干扰;同时装在沙盒里面的应用，也可以很方便的被搬来搬去，这也是 PaaS 想要的最理想的状态。但是说起来容易，等到真正实现起来的时候，就会有难度。因为容器是运行在宿主机上面的，当它运行起来的时候，需要加载到内存中，需要 CPU 完成加法操作等等。也就是说，如果想要实现真正意义上的容器，就要解决容器和宿主机真正隔离这样的问题，但现实中这样的问题还没办法解决。

既然问题还没解决，那么我们所说的容器，是在说什么？容器的核心功能又什么？

容器核心功能

在上面已经说过，容器其实是一种沙盒技术，应用和应用之间有“边界”。所以容器的核心功能，就是通过约束和修改进程的动态表现，从而创造出一个"边界"。

这个官方语言可能会有点儿难懂，咱们换个说法。容器用英语来说就是 Container ，而 Container 的另一个意思是集装箱。提到集装箱的时候，你的脑海里第一反应是不是大船停靠在岸边，然后好多整齐划一的箱子可以运来运去。为什么这些集装箱可以很方便的运来运去呢？因为它们大小一致，而且是箱子，对吧？所以当我们使用 Container 来形容容器的时候，就是我们想要让容器达到一个可以打包，符合标准的状态。

基于以上，我觉得咱们可以达成一个共识，就是如果想要让容器帮助我们达到一个可以打包，符合标准的状态的话，首先要解决的是什么问题？就是将容器和容器之间隔离出来，这样我才能对这个容器统一做一个操作，对不对。对于 Docker 等大多数 Linux 容器来说，做到让容器和容器之间隔离，主要是两种技术：一种是看起来是隔离了的技术：Namespace 技术，它是用来修改进程视图的主要方法，也就是说每个 namespace 中的应用看到的是不同的 IP 地址、用户空间等；一种是用起来是隔离了的技术：Cgroups 技术，它是用来制造约束的主要手段，也就是说，我这台服务器总共有 8G 的内存，都给这一个应用的话，其他的应用怎么跑起来呢？所以 Cgroups 技术就是对容器来做一个限制。

Namespace

Namespace 就是命名空间的意思，如果编程使用的是，面向对象的程序设计语言，那对于这个词应该不是很陌生。一个团队在一起写代码，难免会有相同的类，此时编译就会冲突。如果每个功能都有自己的命名空间，那在不同的空间里面就算类名相同，也不会有啥冲突。写程序如此，在 Linux 上跑程序也是如此。当我们在一台 Linux 上跑多个进程时，进程有全局的进程 ID ，网络也有全局的路由表。如果多个进程使用不同的路由策略，可能会导致这些进程冲突，解决办法也很简单，将这些进程放在一个独立的 namespace 里面就可以了嘛。

说是这样说，但是有一点我希望你能明确知道，进程在静态状态下就是程序，它只是磁盘上的二进制文件罢了。只有当它运行起来时，才成为进程。所以，当我们开始运行程序时，操作系统都会为进程分配一个进程编号，这个编号就是进程的唯一标识。假设我们开始运行了一个程序，它的 PID=100 。也就是说这个程序是第 100 个进程，在它前面还有 99 个进程。而现在，如果我们通过 Docker 把这个程序运行在一个容器当中，那么 Docker 就会在第 100 个进程创建时，给它施一个"障眼法",让它永远看不到其他 99 个进程，这样这个程序就会误以为自己是第 1 个进程这种机制，其实就是对被隔离应用的进程空间做了手脚，使得这些进程只能看到重新计算过的进程编号，比如上面的第 100 个进程，经过 Docker 的"障眼法"之后，误以为自己是第 1 个进程，但是实际上在宿主机的操作系统中，它还是原来的第 100 个进程。

容器限制（ Cgroups ）

Linux Cgroups 的全称是 Linux Control Group 。它最主要的作用，就是限制一个进程组能够使用的资源上限，包括 CPU ，内存，磁盘，网络带宽等。特别简单的一句话就是，你的电脑只有 8G 内存，你会允许一个进程占用你的内存到 7G 嘛？一般情况下应该是不会吧，那样的话，做其他事情不都卡的要死嘛，对不对。所以在 Linux 中，提供了一种技术，来控制进程组所能使用的资源。Cgroups 的有很多子系统，每一项子系统都有自己独有的资源限制能力，比如:

blkio ：为块设备设定 I/O 限制，一般用于磁盘等设备；
cpuset ：为进程分配单独的 CPU 核和对应的内存节点；
memory ：为进程设定内存使用的限制；
cpu ：使用调用程序为进程控制 CPU 的访问；Linux Cgroups 的设计还是比较易用的，它就是一个子系统目录加上一组资源限制文件的组合。对于 Docker 等 Linux 容器项目来说，它们只需要在每个子系统下面，为每个容器创建一个控制组(即创建一个新目录),然后在启动容器进程之后，把这个进程的 PID 填写到对应控制组的 tasks 文件中就可以了。至于在这些控制组下面的资源文件里填什么值，那就交给用户执行 docker run 时的参数来指定了。

经过以上分析，我们可以了解到，容器这个听起来玄而又玄的概念，实际上它就是操作系统上的一种特殊的进程而已。所以，容器本身并没有价值，有价值的是"容器编排"。当我们在谈容器的时候，其实我们在谈如何更好的去编排容器。这也是为什么当下 k8s 这么火的原因。

容器与虚拟机异同

看到这里，你会不会有疑问，容器和虚拟机之间有什么不同呢？你可能看到过下面这个图片：

在这张图的左边，画出了虚拟机的工作原理，其中 Hypervisor 的软件是虚拟机主要部分，它通过硬件虚拟化功能，将主机的 cpu ，内存， I/O 设备等虚拟出来，在这些虚拟的硬件上，安装了一个新的操作系统，也就是图中的 GuestOS 。此时，用户的应用进程就可以运行在这个虚拟的机器中，它能看到的也就只有 GuestOS 的文件和目录，使用的也是这个机器里面的虚拟设备。这就是为什么虚拟机能够将不同的应用进程相互隔离，因为它们所在的系统本来就不是同一个系统。

这张图的右边则是容器，它只由应用程序本身和它的环境依赖（库和其他应用程序）两部分组成，并且是直接在宿主机上运行的。当你想要启动容器的时候，根本不需要启动整个操作系统，因为它本来就是在这个操作系统上的。而且，因为容器直接在宿主机上，所有容器都共享这个底层操作系统，没有另外新装操作系统，这就使得容器不管是在体积上，还是启动速度方面，都会更快，开销更小，也更加容易迁移。

还记得讲容器的时候，介绍的 Namespace 技术嘛，虚拟机是真实存在的，你可以直接在自己的电脑上创建一个，但是容器不一样，它没有一个真正的“容器”运行在宿主机里面， Docker 项目帮助用户启动的，还是原来的应用进程，只是在创建这些进程时，加上了 Namespace 参数罢了，但是对于宿主机来说，本质还是进程罢了。