02 被隔离的进程：一起来看看容器的本质
你好，我是Chrono。
在上一次课里，我们初步了解了容器技术，在Linux虚拟机里安装了当前最流行的容器Docker，还使用 docker ps、docker run等命令简单操作了容器。
广义上来说，容器技术是动态的容器、静态的镜像和远端的仓库这三者的组合。不过，“容器”这个术语作为容器技术里的核心概念，不仅是大多数初次接触这个领域的人，即使是一些已经有使用经验的人，想要准确地把握它们的内涵、本质都是比较困难的。
那么今天，我们就一起来看看究竟什么是容器（即狭义的、动态的容器）。
容器到底是什么
从字面上来看，容器就是Container，一般把它形象地比喻成现实世界里的集装箱，它也正好和Docker的现实含义相对应，因为码头工人（那只可爱的小鲸鱼）就是不停地在搬运集装箱。
集装箱的作用是标准化封装各种货物，一旦打包完成之后，就可以从一个地方迁移到任意的其他地方。相比散装形式而言，集装箱隔离了箱内箱外两个世界，保持了货物的原始形态，避免了内外部相互干扰，极大地简化了商品的存储、运输、管理等工作。
再回到我们的计算机世界，容器也发挥着同样的作用，不过它封装的货物是运行中的应用程序，也就是进程，同样它也会把进程与外界隔离开，让进程与外部系统互不影响。
我们还是来实际操作一下吧，来看看在容器里运行的进程是个什么样子。
首先，我们使用 docker pull 命令，拉取一个新的镜像——操作系统Alpine：
然后我们使用 docker run 命令运行它的Shell程序：
注意我们在这里多加了一个 -it 参数，这样我们就会暂时离开当前的Ubuntu操作系统，进入容器内部。
现在，让我们执行 cat /etc/os-release ，还有 ps 这两个命令，最后再使用 exit 退出，看看容器里与容器外有什么不同：
就像这张截图里所显示的，在容器里查看系统信息，会发现已经不再是外面的Ubuntu系统了，而是变成了Alpine Linux 3.15，使用 ps 命令也只会看到一个完全“干净”的运行环境，除了Shell（即sh）没有其他的进程存在。
也就是说，在容器内部是一个全新的Alpine操作系统，在这里运行的应用程序完全看不到外面的Ubuntu系统，两个系统被互相“隔离”了，就像是一个“世外桃源”。
我们还可以再拉取一个Ubuntu 18.04的镜像，用同样的方式进入容器内部，然后执行 apt update、apt install 等命令来看看：
docker pull ubuntu:18.04
docker run -it ubuntu:18.04 sh
# 下面的命令都是在容器内执行
cat /etc/os-release
apt update
apt install -y wget redis
redis-server &
这里我就不截图了，具体的结果留给你课下去实际操作体会。可以看到的是，容器里是另一个完整的Ubuntu 18.04 系统，我们可以在这个“世外桃源”做任意的事情，比如安装应用、运行Redis服务等。但无论我们在容器里做什么，都不会影响外面的Ubuntu系统（当然不是绝对的）。
到这里，我们就可以得到一个初步的结论：容器，就是一个特殊的隔离环境，它能够让进程只看到这个环境里的有限信息，不能对外界环境施加影响。
那么，很自然地，我们会产生另外一个问题：为什么需要创建这样的一个隔离环境，直接让进程在系统里运行不好吗？
为什么要隔离
相信因为这两年疫情，你对“隔离”这个词不会感觉到太陌生。为了防止疫情蔓延，我们需要建立方舱、定点医院，把患病人群控制在特定的区域内，更进一步还会实施封闭小区、关停商场等行动。虽然这些措施带来了一些不便，但都是为了整个社会更大范围的正常运转。
同样的，在计算机世界里的隔离也是出于同样的考虑，也就是系统安全。
对于Linux操作系统来说，一个不受任何限制的应用程序是十分危险的。这个进程能够看到系统里所有的文件、所有的进程、所有的网络流量，访问内存里的任何数据，那么恶意程序很容易就会把系统搞瘫痪，正常程序也可能会因为无意的Bug导致信息泄漏或者其他安全事故。虽然Linux提供了用户权限控制，能够限制进程只访问某些资源，但这个机制还是比较薄弱的，和真正的“隔离”需求相差得很远。
而现在，使用容器技术，我们就可以让应用程序运行在一个有严密防护的“沙盒”（Sandbox）环境之内，就好像是把进程请进了“隔离酒店”，它可以在这个环境里自由活动，但绝不允许“越界”，从而保证了容器外系统的安全。
另外，在计算机里有各种各样的资源，CPU、内存、硬盘、网卡，虽然目前的高性能服务器都是几十核CPU、上百GB的内存、数TB的硬盘、万兆网卡，但这些资源终究是有限的，而且考虑到成本，也不允许某个应用程序无限制地占用。
容器技术的另一个本领就是为应用程序加上资源隔离，在系统里切分出一部分资源，让它只能使用指定的配额，比如只能使用一个CPU，只能使用1GB内存等等，就好像在隔离酒店里保证一日三餐，但想要吃山珍海味那是不行的。这样就可以避免容器内进程的过度系统消耗，充分利用计算机硬件，让有限的资源能够提供稳定可靠的服务。
所以，虽然进程被“关”在了容器里，损失了一些自由，但却保证了整个系统的安全。而且只要进程遵守隔离规定，不做什么出格的事情，也完全是可以正常运行的。
与虚拟机的区别是什么
你也许会说，这么看来，容器不过就是常见的“沙盒”技术中的一种，和虚拟机差不了多少，那么它与虚拟机的区别在哪里呢？又有什么样的优势呢？
在我看来，其实容器和虚拟机面对的都是相同的问题，使用的也都是虚拟化技术，只是所在的层次不同，我们可以参考Docker官网上的两张图，把这两者对比起来会更利于学习理解。
（Docker官网的图示其实并不太准确，容器并不直接运行在Docker上，Docker只是辅助建立隔离环境，让容器基于Linux操作系统运行）
首先，容器和虚拟机的目的都是隔离资源，保证系统安全，然后是尽量提高资源的利用率。
之前在使用VirtualBox/VMware创建虚拟机的时候，你也应该看到了，它们能够在宿主机系统里完整虚拟化出一套计算机硬件，在里面还能够安装任意的操作系统，这内外两个系统也同样是完全隔离，互不干扰。
而在数据中心的服务器上，虚拟机软件（即图中的Hypervisor）同样可以把一台物理服务器虚拟成多台逻辑服务器，这些逻辑服务器彼此独立，可以按需分隔物理服务器的资源，为不同的用户所使用。
从实现的角度来看，虚拟机虚拟化出来的是硬件，需要在上面再安装一个操作系统后才能够运行应用程序，而硬件虚拟化和操作系统都比较“重”，会消耗大量的CPU、内存、硬盘等系统资源，但这些消耗其实并没有带来什么价值，属于“重复劳动”和“无用功”，不过好处就是隔离程度非常高，每个虚拟机之间可以做到完全无干扰。
我们再来看容器（即图中的Docker），它直接利用了下层的计算机硬件和操作系统，因为比虚拟机少了一层，所以自然就会节约CPU和内存，显得非常轻量级，能够更高效地利用硬件资源。不过，因为多个容器共用操作系统内核，应用程序的隔离程度就没有虚拟机那么高了。
运行效率，可以说是容器相比于虚拟机最大的优势，在这个对比图中就可以看到，同样的系统资源，虚拟机只能跑3个应用，其他的资源都用来支持虚拟机运行了，而容器则能够把这部分资源释放出来，同时运行6个应用。
当然，这个对比图只是一个形象的展示，不是严谨的数值比较，不过我们还可以用手里现有的VirtualBox/VMware虚拟机与Docker容器做个简单对比。
一个普通的Ubuntu虚拟机安装完成之后，体积都是GB级别的，再安装一些应用很容易就会上到10GB，启动的时间通常需要几分钟，我们的电脑上同时运行十来个虚拟机可能就是极限了。而一个Ubuntu镜像大小则只有几十MB，启动起来更是非常快，基本上不超过一秒钟，同时跑上百个容器也毫无问题。
不过，虚拟机和容器这两种技术也不是互相排斥的，它们完全可以结合起来使用，就像我们的课程里一样，用虚拟机实现与宿主机的强隔离，然后在虚拟机里使用Docker容器来快速运行应用程序。
隔离是怎么实现的
我们知道虚拟机使用的是Hypervisor（KVM、Xen等），那么，容器是怎么实现和下层计算机硬件和操作系统交互的呢？为什么它会具有高效轻便的隔离特性呢？
其实奥秘就在于Linux操作系统内核之中，为资源隔离提供了三种技术：namespace、cgroup、chroot，虽然这三种技术的初衷并不是为了实现容器，但它们三个结合在一起就会发生奇妙的“化学反应”。
namespace是2002年从Linux 2.4.19开始出现的，和编程语言里的namespace有点类似，它可以创建出独立的文件系统、主机名、进程号、网络等资源空间，相当于给进程盖了一间小板房，这样就实现了系统全局资源和进程局部资源的隔离。
cgroup是2008年从Linux 2.6.24开始出现的，它的全称是Linux Control Group，用来实现对进程的CPU、内存等资源的优先级和配额限制，相当于给进程的小板房加了一个天花板。
chroot的历史则要比前面的namespace、cgroup要古老得多，早在1979年的UNIX V7就已经出现了，它可以更改进程的根目录，也就是限制访问文件系统，相当于给进程的小板房铺上了地砖。
你看，综合运用这三种技术，一个四四方方、具有完善的隔离特性的容器就此出现了，进程就可以搬进这个小房间，过它的“快乐生活”了。我觉得用鲁迅先生的一句诗来描述这个情景最为恰当：躲进小楼成一统，管他冬夏与春秋。
小结
好了，今天我们一起学习了容器技术中最关键的概念：动态的容器，再简单小结一下课程的要点：
- 容器就是操作系统里一个特殊的“沙盒”环境，里面运行的进程只能看到受限的信息，与外部系统实现了隔离。
- 容器隔离的目的是为了系统安全，限制了进程能够访问的各种资源。
- 相比虚拟机技术，容器更加轻巧、更加高效，消耗的系统资源非常少，在云计算时代极具优势。
- 容器的基本实现技术是Linux系统里的namespace、cgroup、chroot。
课下作业
最后是课下作业时间，给你留两个思考题：
- 你能够对比现实中的集装箱，说出容器技术更多的优点吗？
- 有一种说法：容器就是轻量级的虚拟机，你认为这种说法正确吗？
欢迎在留言区发言参与讨论，如果你觉得有收获，也欢迎转发给身边的朋友一起学习。我们下节课见。
- Geek_b213f7 👍（82） 💬（1）
chroot 是在 Unix 和 Linux 系统的一个操作，针对正在运作的软件行程和它的子进程，改变它外显的根目录。一个运行在这个环境下，经由 chroot 设置根目录的程序，它不能够对这个指定根目录之外的文件进行访问动作，不能读取，也不能更改它的内容。 首先创建一个目录rootfs mkdir rootfs 然后在rootfs目录下新建三个文件 cd rootfs touch a b c 此时执行一条命令：chroot /home/centos/rootfs /bin/sh 这条命令意思是启动一个 sh 进程，并且把 /home/centos/rootfs 作为 sh 进程的根目录 此时执行命令：/bin/ls / 就可以显示a b c三个文件，说明当前进程的根目录已经变成了主机上的 /home/centos/rootfs 目录。这样就实现了当前进程与主机的隔离 Namespace Namespace 是 Linux 内核的一项功能，该功能对内核资源进行隔离，使得容器中的进程都可以在单独的命名空间中运行，并且只可以访问当前容器命名空间的资源。Namespace 可以隔离进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、网络访问和进程间通信等相关资源。 Docker 主要用到以下五种命名空间。 pid namespace：用于隔离进程 ID。 net namespace：隔离网络接口，在虚拟的 net namespace 内用户可以拥有自己独立的 IP、路由、端口等。 mnt namespace：文件系统挂载点隔离。 ipc namespace：信号量,消息队列和共享内存的隔离。 uts namespace：主机名和域名的隔离。 Cgroups Cgroups 是一种 Linux 内核功能，可以限制和隔离进程的资源使用情况（CPU、内存、磁盘 I/O、网络等）。在容器的实现中，Cgroups 通常用来限制容器的 CPU 和内存等资源的使用。 联合文件系统 联合文件系统，又叫 UnionFS，是一种通过创建文件层进程操作的文件系统，因此，联合文件系统非常轻快。Docker 使用联合文件系统为容器提供构建层，使得容器可以实现写时复制以及镜像的分层构建和存储。常用的联合文件系统有 AUFS、Overlay 和 Devicemapper 等。
2022-07-13 - lesserror 👍（45） 💬（2）
老师，以下这些内容会讲到吗？ 我之前在了解这些概念的时候云里雾里的，希望能看到老师更加形象的讲解。 1. 容器中的数据。 2. 使用已命名的卷永久保存数据。 3. 使用绑定装载。 4. 查看映像层。 5. 缓存依赖项。 6 .了解多阶段生成。
2022-06-24 - YueShi 👍（27） 💬（1）
普通的进程 + namespace（一重枷锁，能看到什么进程） + cgroup（二重枷锁，能用多少资源，内存/磁盘。cpu等） + chroot（三重枷锁，能看到什么文件）= 特殊的进程 = 容器
2022-09-18 - hiDaLao 👍（16） 💬（1）
执行docker run -it ubuntu:18.04 sh后，在容器中执行ps，发现sh的pid为1，在宿主机上执行ps auxf | grep sh,发现是能看到容器内的这个sh进程的，但pid不同。此时在容器内执行apt update，宿主机上ps同样能看到，而且是sh的子进程。说明用户运行在容器里的应用进程，跟宿主机上的其他进程一样，都由宿主机操作系统统一管理，只不过通过namespace对这些进程做了特殊的隔离
2022-07-23 - 罗耀龙@坐忘 👍（11） 💬（1）
认同“容器就是轻量级的虚拟机”？不 因为容器本质是一个进程，带着一组“隔离与限制”的进程，与虚拟机差的太远了。
2022-06-24 - 马以 👍（6） 💬（1）
1:集装箱在码头装船的时候，只要我的船只是匹配集装箱标准的船，就能无缝的装载集装箱，同样容器也是一种标准，我的船（组件）符合这种标准，我就能和容器无缝链接；比如docker-compose和后面的kubernetes，我只需要实现我的容器接口来对接容器就可以了； 2:我觉得容器和虚拟机有着本质的区别，虚拟机是虚拟出一套软硬件系统环境，我们的应用跑在虚拟机中，可以大致看作是跑在一个独立的服务器中，而容器只是一个进程，他们存在本质上的区别；如果硬要说他们的相同点，那么只是在隔离性这个广义的角度上，他们所做的事情是类似的。
2022-06-27 - Geek_093b9e 👍（5） 💬（1）
罗老师， 您好， 我读了一些文章，chroot 这个系统调用应该是虚拟化技术的开端（1979年）， 后来慢慢有个更好的在内核层面的虚拟化技术，比如出现于2008年的LXC(基于namespace, cgroup), docker在LXC上面做了又一层封装，所以我理解当前docker底层没有用到chroot。 如有错误，请您指正。 谢谢 参考连接： https://www.codementor.io/blog/docker-technology-5x1kilcbow https://blog.aquasec.com/a-brief-history-of-containers-from-1970s-chroot-to-docker-2016
2022-08-07 - Andrew 👍（5） 💬（2）
老师，如果镜像的大小是几十MB，再基于这个镜像运行10个容器所占用的硬盘大小就是*10 ？
2022-06-28 - M 👍（5） 💬（4）
没有介绍如何使用，这三个技术具体实现隔离效果吗？
2022-06-24 - 星垂平野阔 👍（4） 💬（4）
写作业： 1.容器就像预备装船的成堆集装箱，能够把船舱塞得满满当当的，因为它是直接运行在主机上的进程，主机有多少资源它就能用多少资源—等价于船舱有多大它能装多大。 2.容器不是轻量级的虚拟机，它并不是在主机上再抽象出一层操作系统。 课后感想： 运用容器也有好几年了，始终觉得这套技术非常有特色，能够把G级别的操作系统用分层文件的形式压缩成几十M的一个小进程，那么对比下载的iso操作系统它到底是少了哪些部分呢？
2022-06-24 - 温雅小公子 👍（3） 💬（1）
如果我在容器里 rm -rf/*，会对外面的系统有影响吗
2022-10-25 - Demon.Lee 👍（2） 💬（1）
1、对比集装箱，容器技术的优点就是标准化，有了标准化，后面的就能实现自动化，规模化：具体（样例）--> 抽象（模型）--> 简单 --> 标准（流程）--> 自动（程序）--> 规模。 2、容器就是轻量级的虚拟机，可以这么认为，不过也不必咬文嚼字，我们理解它和虚拟机之间的区别就好。 3、chroot，Namespace 应该属于“看起来”隔离的技术，而 Cgroups 则属于“用起来”隔离的技术。 4、李晓峰老师在《虚拟机设计与实现》提到了虚拟机的几种类型，部分摘录如下： 1）ISA Level Virtualization，指令集虚拟化，即仿真。通过软件来模拟 ISA 架构的处理过程，该软件会将虚拟机发出的指令转换为本机 ISA 的指令，比如 QEMU，Bochs； 2）Hardware Abstraction Level Virtualization：硬件抽象层虚拟化，即以软件或硬件来模拟计算机架构（cpu、memory、显卡、磁盘控制器和芯片组等）的工作过程，比如 VMware，VirtualBox； 3）OS Level Virtualization：操作系统层虚拟化，即容器化。各个进程共享内核，但拥有独立的系统资源，比如 Docker, containerd； 4）Library Level Virtualization：运行库虚拟化，用软件翻译的方法来模拟系统，通过一个独立进程来代替操作系统内核，比如 WINE，WSL； 5）Programming Language Level Virtualization：语言层虚拟化，即由虚拟机将高级语言生成的中间代码，转换为目标机器可以直接执行的指令，比如 Java 的 JVM，.NET 的 CLR。
2022-11-16 - Amark 👍（2） 💬（2）
老师，有一个问题，docker 基于cgoup与namespace技术是操作系统本身就有的功能，那为啥docker在十年内才被创造出来，而不是在虚拟机之前呢，这中间还有什么技术没有成熟吗
2022-07-11 - Even 👍（1） 💬（1）
1. 类比集装箱，集装箱就是为了标准化，能够在各种船舶上都放置，搬动，迁移方便，不依赖于具体宿主(船舶)。容器也是这样，跨平台，标准化，方便环境的部署，迁移。 2. 虚拟机跟容器如果只是说隔离性等，可以模糊的等于。或者说容器是更轻量化的虚拟机。都是属于不同时代下的进化产物。
2022-10-08 - pythonbug 👍（1） 💬（1）
1、像现实中集装箱的话，我认为一个最大的特点就是适合搬运，说明容器里面装的东西迁移起来会十分方便。 2、我觉得轻量级虚拟机这种说法不太准确，按照那个图，容器像是共用了宿主机的底层文件系统，和虚拟机那种完全从虚拟机开始模拟还是有很大区别的，不是一回事。
2022-07-06