【云原生-深入理解Kubernetes-1】容器的本质是进程-Toy模板网

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【云原生-深入理解Kubernetes-1】容器的本质是进程

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一、为什么会出现容器？

我们来假设一个场景，某个客户向某个公司定制了一个产品，经过2个月的使用这个产品终于完成了，并且在>自己公司中也是可以安全运行的，这个时候就需要到客户哪里交付，需要现场安装部署。

在安装部署过程中，需要在客户哪里准备好自己产品的运行环境，由于产品比较大，配置环境是非常浪费时间和精力的，而且这个过程中或许还会出现自己公司没有遇到过的问题。

显然这种传统方式，是需要优化改进的。这个时候就出现了容器部署，容器解决了应用打包的这个根本难题

当然还要其它应用场景，这里只是说明一个举例。

二、容器是什么？

紧跟上面的例子：

容器解决了应用打包的这个根本难题

这个打包包含应用环境和应用本身，就是说可以打包自己应用和环境，这就是一个镜像，有了这个镜像，我们只需要携带这个镜像到客户现场运行这个镜像就行了，这时运行的镜像就称为容器。

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”起来的技术。这样，应用与应用之间，就因为有了边界而不至于相互干扰；而被装进集装箱的应用，也可以被方便地搬来搬去。

专业名词：

image： 镜像包含应用和应用环境
contaienr： 容器是镜像的运行出来的状态
registry： 仓库是存放镜像的地方

容器本身没有太大价值，有价值的是“容器编排” （相当于是说，技术本身没有价值，价值在于解决实际问题）

编排主要是容器之间的关系，也之所以 Kubernetes 项目和CNCF社区火的原因之一

这里简单提一嘴： Kubernetes 可以看作是操作系统，而容器就是应用程序进程

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三、容器“边界”的实现手段

3.1、进程如何运行的？

假如，你要写一个计算加减法的程序，这个程序需要的输入来自一个文件，计算结果输出到另一个文件

因为计算机只认识二进制 0 和 1，不管用什么语言编写，都需要将这段代码编译成二进制文件，这样计算机才能运行。

我们知道我们的数据（程序）是存放在磁盘当中的，运行程序时需要将磁盘数据放入内存中，这样CPU、寄存器和内存协作计算，还有被打开的文件，以及各种各样的 I/O 设备在不断地调用中修改自己的状态，这个程序就运行起来了。

一旦“程序”被执行起来，它就从磁盘上的二进制文件，变成了内存中的数据、寄存器里的值、堆栈中的指令、被打开的文件，以及各种设备的状态信息的一个集合。这样的一个程序运行集合就是我们的今天的主角：进程

所以，对于进程来说，它的静态表现是程序，存放在磁盘中；动态表现是进程，数据和状态的集合。

3.2、Namespace 与 Docker 边界

而容器技术的核心功能，就是通过约束和修改进程的动态表现，从而为其创造出一个“边界”。

对于 Docker 等大多数 Linux 容器，Cgroups 技术是用来制造约束的主要手段，而 Namespace 技术则是用来修改进程视图的主要方法。

可能觉得 Cgroups 和 Namespace 这两个概念很抽象，我们一起动手实践一下，就很容易理解这两项技术了。

我们使用 docker run 运行一个镜像容器，-it 参数是分配一个文本输入/输出环境，TTY

[root@master01 ~]# docker run -it busybox /bin/sh
/ # ps
PID   USER     TIME  COMMAND
    1 root      0:00 /bin/sh
    7 root      0:00 ps

可以看到，我们第一个进程号是 PID=1，并且运行的是 /bin/sh 命令，还有一个就是我们刚才执行的 ps 命令
可以看到，我们已经被 Docker 隔离在一个跟宿主机完全不同的环境当中。

容器的本质是一个进程

宿主机上我们执行 ps 命令可以看到，宿主机上有个进程，这个进程是我们运行容器时所使用的命令，也代表了我们容器也是一个进程表现出来的，所以 容器的本质是一个进程。

[root@master01 ~]# ps -aux | grep "/bin/sh"
...
root      97285  0.3  0.2 933264 21796 pts/0    Sl+  11:33   0:00 docker run -it busybox /bin/sh
...

为了表现这个容器是进程我们做一个实验

首先连接工具开两个窗口

一个运行的是 docker run -it busybox /bin/sh 这样一条命令

另一个执行 ps -aux | grep "/bin/sh" 找到这里的 docker run -it busybox /bin/sh 进程，执行 kill -9 97285 （这里通过 ps 命令可以看到我的容器 PID 是97285）杀掉这个进程，如图可以看到 docker run -it busybox /bin/sh 进程退出了，说明了 容器的本质是一个进程。

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这是怎么做到的呢？

本来，每当我们在宿主机上运行了一个 /bin/sh 程序时，操作系统都会给它分配一个进程编号，比如 PID=1000。进程编号具有唯一标识，就像员工的工号，所以我们可以看作 /bin/sh 是公司里的第 1000 名员工，而 1 号员工就是老板，管理全局的人。

现在，我们通过 Docker 把这个 /bin/sh 程序运行在一个容器中。这时，Docker 就会在这个 1000 号员工入职时给他一个“障眼法”，让他永远看不到前面的其他 999 个员工，更看不到老板。这样，他就会以为自己第 1 号员工。

这种机制，其实就是对被隔离应用的进程空间做了手脚，也就是使用了 Linxu 中的 Namespace 技术。

这种 Namespace 使用方式，其实是 Linux 创建新进程的一个可选参数，比如：

# 创建一个新的进程，并且返回它的进程号 pid
int pid = clone(main_function, stack_size, SIGCHLD, NULL);

而当我们用 clone() 系统调用创建一个新进程时，就可以在参数中指定 CLONE_NEWPID 参数（新PID），比如：

int pid = clone(main_function, stack_size, CLONE_NEWPID | SIGCHLD, NULL);

这时，新创建的这个进程将会“看到”一个全新的进程空间，在这个进程空间里，它的 PID 是 1。之所以说“看到”，是因为这只是一个“障眼法”，在宿主机真实的进程空间里，这个进程的 PID 还是真实的数值，比如 100。

我们还可以多次执行上面的 clone() 调用，这样就会创建多个 PID Namespace，而每个 Namespace 里的应用进程，都会认为自己是当前容器里的第 1 号进程

除了我们刚刚用到的 PID Namespace，Linux 操作系统还提供了 Mount、UTS、IPC、Network 和 User 这些 Namespace，用来对各种不同的进程上下文进行“障眼法”操作。

比如，Mount Namespace，用于让被隔离进程只看到当前 Namespace 里的挂载点信息；Network Namespace，用于让被隔离进程看到当前 Namespace 里的网络设备和配置。

这，就是 Linux 容器最基本的实现原理了

Docker 容器这个听起来玄而又玄的概念，实际上是在创建容器进程时，指定了这个进程所需要启用的一组 Namespace 参数。这样，容器就只能“看”到当前 Namespace 所限定的资源、文件、设备、状态，或者配置。而对于宿主机以及其他不相关的程序，它就完全看不到了。

所以说，容器，其实是一种特殊的进程而已。

总结

相信大家学容器时都看过这个虚拟机和容器的对比图。
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左边是虚拟机的工作原理，其中 Hypervisor 软件是虚拟机最重要的部分，它可以实现模拟出各种硬件，比如：CPU、内存、磁盘等，在 Hypervisor 软件层之上创建 Guest OS 也就是客户机操作系统，Guest OS 和 Hypervisor 模拟出来的硬件交互 ，这样用户应用程序就可以运行在这个虚拟机中，用户自然看到的就是这个新的操作系统的文件系统结构，这也是虚拟机也能起到将不同应用程序相互隔离的原因。
右边，则用一个名为 Docker Engine 的软件替换了 Hypervisor。这也是为什么，很多人会把 Docker 项目称为“轻量级”虚拟化技术的原因，实际上就是把虚拟机的概念套在了容器上。这样的说明并不严谨，因为容器本质是运行在宿主机上的进程，使用的是 Namespace 技术，通过 Namespace 技术实现网络、磁盘、PID、用户等隔离。