Docker 核心原理详解：Namespaces 与 Cgroups 如何实现资源隔离与限制

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Docker 作为容器化技术的代名词，彻底改变了软件的开发、部署和管理方式。它凭借其轻量、快速、一致性强的特性，成为了现代云原生架构的基石。然而，Docker 容器的神奇之处并非“无中生有”，其背后是 Linux 内核的两大核心技术——Namespaces（命名空间） 和 Cgroups（控制组）。正是这两项技术，共同构筑了 Docker 容器的强大隔离性和资源限制能力。

本文将深入浅出地解析 Namespaces 和 Cgroups 的工作原理，揭示 Docker 容器是如何在共享宿主机内核的情况下，实现“看似独立”的运行环境，并对其资源进行精确控制的。

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一、容器化技术与虚拟化的本质区别

在深入了解 Docker 的底层原理之前，我们有必要区分容器化与传统的虚拟化技术。

A. 虚拟机 (Virtual Machines)

• 概念： 虚拟机通过Hypervisor（管理程序）在物理硬件之上模拟出一个完整的计算机系统（包括CPU、内存、磁盘、网卡等），每个虚拟机都运行一个独立的客户操作系统（Guest OS）内核。
• 优点： 隔离性非常强，能够运行不同的操作系统，拥有完整的操作系统功能。
• 缺点： 资源开销大（每个VM都需要独立的OS内核和其运行所需的资源），启动速度慢。
  

B. 容器 (Containers)

• 概念： 容器是基于宿主机（Host OS）的操作系统内核运行的。它共享宿主机的内核，但在用户空间提供了进程级别的隔离。容器内部只包含应用程序及其运行所需的环境（库、运行时、配置文件等）。
• 优点： 轻量级、启动速度快（秒级甚至毫秒级），资源利用率高。
• 缺点： 隔离性相对VM稍弱（共享内核），无法运行不同于宿主机的操作系统。

容器化与虚拟化比较图 (概念示意)

• 虚拟机： 硬件 -> Hypervisor -> 客户操作系统A -> 应用A / 客户操作系统B -> 应用B
• 容器： 硬件 -> 宿主机操作系统内核 -> Docker Engine -> 容器A (应用A+依赖) / 容器B (应用B+依赖)

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二、Namespaces：隔离的基石

Namespaces 是 Linux 内核的一项功能，它能够将全局的系统资源进行分区，使得每个进程组（即一个 Namespace）只能看到和使用自己所属的资源视图，而不能看到或影响其他 Namespace 中的资源。通过 Namespaces，Docker 为每个容器创建了一个“看似独立”的运行环境。

A. 什么是 Namespaces？

Namespaces 的核心思想是隔离。它为不同进程提供独立的系统资源视图。例如，在一个 PID Namespace 中的进程，看到的进程 ID 空间是独立的，它只知道自己 Namespace 内的进程，并不知道其他 Namespace 中的进程。

B. 常见的 Namespaces 类型及作用

1. PID Namespace (进程 ID 命名空间)：

   • 作用： 隔离进程 ID 空间。每个 PID Namespace 都有自己独立的进程 ID 编号系统，即每个 Namespace 都有一个 PID 为 1 的进程（通常是容器的启动进程）。
   • 表现： 容器内 ps -ef 命令看到的 PID 与宿主机上的 PID 是不同的。容器内的 PID 1 是启动容器的应用程序，而不是宿主机的 init 进程。
   • 示例：

     # 在宿主机上创建一个新的 PID Namespace
     sudo unshare -p --fork bash# 进入新的 Bash Shell 后，查看当前进程的 PID
     # 注意：这里看到的 PID 是在新的 PID Namespace 中的 PID
     echo $$# 尝试查看所有进程，会发现进程列表非常简洁，且当前 Bash 的 PID 是 1
     ps -ef
     

2. Mount Namespace (MNT Namespace / 挂载命名空间)：

   • 作用： 隔离文件系统挂载点。每个 MNT Namespace 都有自己独立的根文件系统视图和挂载点。
   • 表现： 容器有自己的独立文件系统（通常是基于镜像层叠形成的），容器内的文件操作不会影响宿主机文件系统（除非通过卷挂载）。
   • 示例：

     # 在宿主机上创建一个新的 Mount Namespace
     sudo unshare -m --fork bash# 在新的 Bash Shell 中创建一个新的挂载点并挂载一个临时文件系统
     mkdir /tmp/new_mount
     sudo mount -t tmpfs none /tmp/new_mount# 退出后，宿主机上不会看到 /tmp/new_mount 挂载点
     

3. Network Namespace (NET Namespace / 网络命名空间)：

   • 作用： 隔离网络设备、IP 地址、端口号、路由表、防火墙规则等。
   • 表现： 每个容器拥有独立的网络栈，可以有自己的 IP 地址、虚拟网卡，端口映射只影响宿主机网络。
   • 示例：

     # 在宿主机上创建一个新的 Network Namespace
     sudo unshare -n --fork bash# 进入新的 Bash Shell 后，查看网络接口，会发现只有一个 lo（loopback）接口
     ip addr
     # 可以手动配置新的网络接口和IP
     # sudo ip link set lo up
     # sudo ip addr add 127.0.0.1/8 dev lo
     

4. UTS Namespace (Unix Time-sharing System Namespace)：

   • 作用： 隔离主机名和域名。
   • 表现： 容器可以拥有独立的主机名，不会影响宿主机的主机名。
   • 示例：

     # 在宿主机上创建一个新的 UTS Namespace
     sudo unshare -u --fork bash# 在新的 Bash Shell 中修改主机名
     hostname new-container-host# 退出后，宿主机的主机名不受影响
     

5. User Namespace (USER Namespace / 用户命名空间)：

   • 作用： 隔离用户 ID 空间。允许容器内的 root 用户映射到宿主机上的一个非 root 用户。
   • 表现： 提高容器安全性，即使容器内的 root 被攻破，也无法在宿主机上获得 root 权限。
   • 注： User Namespace 的使用相对复杂，它增强了容器的安全性，但同时也带来了额外的配置和限制。

6. IPC Namespace (Interprocess Communication Namespace)：

   • 作用： 隔离 System V IPC（如信号量、消息队列、共享内存）和 POSIX 消息队列。
   • 表现： 容器内的进程无法直接看到或访问宿主机上的 IPC 资源，从而避免潜在的冲突和安全问题。

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三、Cgroups (Control Groups)：资源限制的守护者

Cgroups 是 Linux 内核的另一个强大功能，它负责对进程组的资源使用进行限制、审计和隔离。如果说 Namespaces 解决了“可见性”的问题（让容器看到一个独立的资源集合），那么 Cgroups 解决的就是“配额”的问题（限制容器能够使用多少资源）。

A. 什么是 Cgroups？

Cgroups 允许我们将一组进程组织起来，然后为这组进程设置各种资源使用的上限，例如 CPU 时间、内存用量、磁盘 I/O、网络带宽等。

B. Cgroups 的作用

• 资源限制 (Resource Limiting)： 防止某个容器耗尽宿主机的所有资源。
• 优先级 (Prioritization)： 为不同的容器分配不同的资源份额。
• 审计 (Accounting)： 监控和报告进程组的资源使用情况。
• 控制 (Control)： 暂停或恢复进程组的执行。

C. 常见的 Cgroups 子系统

Cgroups 提供了多个子系统，每个子系统控制一种特定的资源：

1. CPU 子系统：

   • 限制容器能使用的 CPU 时间份额（cpu.cfs_quota_us 和 cpu.cfs_period_us）。
   • 设置 CPU 份额（cpu.shares），决定当 CPU 资源紧张时，容器能获得多少 CPU 时间的比例。
   • Docker 命令示例：

     # 限制容器最多使用 0.5 个 CPU 核（即 50% 的 CPU）
     docker run -d --name my_cpu_limited_container --cpus 0.5 alpine sh -c "while true; do :; done"# 设置 CPU 份额为 512 (默认是 1024，即获得一半的 CPU 资源)
     docker run -d --name my_cpu_shares_container --cpu-shares 512 alpine sh -c "while true; do :; done"
     

2. Memory 子系统：

   • 限制容器可以使用的内存总量（memory.limit_in_bytes）。
   • 设置 OOM（Out Of Memory）行为，当容器内存超限时的处理方式。
   • Docker 命令示例：

     # 限制容器最多使用 100MB 内存
     docker run -d --name my_mem_limited_container --memory 100m alpine sh -c "while true; do head /dev/zero; done"
     

3. Blkio 子系统：

   • 限制容器对块设备（如硬盘、SSD）的读写 I/O 速率。

4. Net_cls / Net_prio 子系统：

   • 用于对容器的网络流量进行标记，以便通过流量控制工具（如 tc）进行管理和限制。

D. Cgroups 的工作原理

Cgroups 通过一个文件系统接口暴露给用户。在 Linux 系统中，你可以在 /sys/fs/cgroup 路径下看到各种 Cgroup 子系统对应的目录。每个子系统目录下都会有对应容器的目录，其中包含一系列配置文件，通过修改这些文件，可以控制容器的资源。

# 查看一个容器的 CPU Cgroup 配置 (假设容器 ID 为 <container_id>)
# 这表示在 100ms 的周期内，容器最多只能运行 50ms
sudo cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/<container_id>/cpu.cfs_quota_us
sudo cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/<container_id>/cpu.cfs_period_us# 查看容器的内存限制
sudo cat /sys/fs/cgroup/memory/docker/<container_id>/memory.limit_in_bytes# 查看一个进程所属的 Cgroup
# 替换 <process_id> 为容器内 PID 1 对应的宿主机 PID
sudo cat /proc/<process_id>/cgroup

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四、Docker 如何整合 Namespaces 和 Cgroups

当您执行 docker run 命令时，Docker Daemon 会在底层协调 Namespaces 和 Cgroups，为您的容器构建一个隔离且受控的运行环境：

1. 创建 Root Filesystem： Docker 会根据您指定的镜像，利用联合文件系统（Union File System）技术为容器创建一个独立的只读层和可写层，作为容器的根文件系统。
2. Namespaces 创建： Docker 调用 Linux 内核的 clone() 系统调用，并传入 CLONE_NEWPID, CLONE_NEWNS, CLONE_NEWNET 等标志位，为容器创建一套新的 PID、Mount、Network、UTS、IPC 命名空间。
3. Cgroups 限制： Docker 将容器的第一个进程（通常是容器的入口点或 CMD 指定的命令）放入预设的 Cgroup 中，并根据 docker run 命令中的 --cpus, --memory 等参数，在对应的 Cgroup 子系统目录中写入限制值。
4. 进程启动： 在全新的命名空间和资源限制下，容器内的应用程序进程启动。
   

实际案例分析：

当我们执行以下 Docker 命令时：

docker run -d --name my_app_container --cpus 0.5 --memory 100m busybox sh -c "while true; do echo 'Hello Docker'; sleep 1; done"

1. --name my_app_container：为容器指定名称。
2. --cpus 0.5：通过 Cgroups 的 CPU 子系统将容器的 CPU 使用率限制在 0.5 核。
3. --memory 100m：通过 Cgroups 的 Memory 子系统将容器的内存使用限制在 100MB。
4. 当 busybox sh -c "while true; do echo 'Hello Docker'; sleep 1; done" 这个命令在容器内启动时：
   • 它会在独立的 PID Namespace 中运行（在容器内看到它的 PID 可能是 1）。
   • 它在独立的 Mount Namespace 中，其文件系统是 busybox 镜像的瘦身版。
   • 它在独立的 Network Namespace 中，拥有自己的网络栈。
   • 同时，这个进程会被放置到由 Docker 创建的 Cgroup 中，受到 CPU 0.5 核和内存 100MB 的限制。

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五、总结与展望

Namespaces 和 Cgroups 是 Docker 容器化技术的核心支柱。Namespaces 提供了进程、文件系统、网络等资源的隔离性视图，让容器感觉像一个独立的操作系统；而 Cgroups 则提供了对 CPU、内存、I/O 等资源的限制和配额管理，确保容器不会过度消耗宿主机资源，从而保证了多租户环境下的稳定性和公平性。

理解这些底层原理，不仅能帮助我们更好地使用 Docker，进行问题排查和性能优化，还能加深对 Linux 操作系统本身进程管理和资源调度机制的理解。随着容器技术的不断发展，特别是围绕 OCI（Open Container Initiative）标准的演进，这些核心原理依然是容器生态系统不可动摇的基石。