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18 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（下）

上一课时我们安装了 Golang，学习了一些容器必备的基础知识，并且自己动手编译了一个 gocker，实现了 Namespace 的隔离。今天我将带你深入剖析 gocker 的源码和实现原理，并且带你实现 cgroups 的资源限制。

gocker 源码剖析

打开 gocker 的源码，我们可以看到 gocker 的实现主要有两个 go 文件：一个是 main.go，一个是 run.go。这两个文件起了什么作用呢？

我们首先来看下 main.go 文件：

$ cat main.go

package main

import (

    "log"

    "os"

    "github.com/urfave/cli/v2"

    "github.com/wilhelmguo/gocker/runc"

)

func main() {

    app := cli.NewApp()

    app.Name = "gocker"

    app.Usage = "gocker 是 golang 编写的精简版 Docker，目的是学习 Docker 的运行原理。"

    app.Commands = []*cli.Command{

        runc.InitCommand,

        runc.RunCommand,

    }

    if err := app.Run(os.Args); err != nil {

        log.Fatal(err)

    }

}

main.go 文件中引用了一个第三方工具库 github.com/urfave/cli，该工具库提供了一个编写命令行的工具，可以帮助我们快速构建命令行应用程序，Docker 默认的容器运行时 runC 也引用了该工具库。 main 函数是 gocker 执行的入口文件，main 定义了 gocker 的名称和简单介绍，同时调用了 InitCommand 和 RunCommand 实现了gocker init和gocker run这两个命令的初始化。

下面我们查看一下 run.go 的文件内容，run.go 文件中定义了 InitCommand 和 RunCommand 的详细实现以及容器启动的过程，文件内容如下。

$ cat runc/run.go

package runc

import (

    "errors"

    "fmt"

    "io/ioutil"

    "log"

    "os"

    "os/exec"

    "path/filepath"

    "strings"

    "syscall"

    "github.com/urfave/cli/v2"

)

var RunCommand = &cli.Command{

    Name: "run",

    Usage: `启动一个隔离的容器

            gocker run -it [command]`,

    Flags: []cli.Flag{

        &cli.BoolFlag{

            Name:  "it",

            Usage: "是否启用命令行交互模式",

        },

        &cli.StringFlag{

            Name:  "rootfs",

            Usage: "容器根目录",

        },

    },

    Action: func(context *cli.Context) error {

        if context.Args().Len() < 1 {

            return errors.New("参数不全，请检查！")

        }

        read, write, err := os.Pipe()

        if err != nil {

            return err

        }

        tty := context.Bool("it")

        rootfs := context.String("rootfs")

        cmd := exec.Command("/proc/self/exe", "init")

        cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{

            Cloneflags: syscall.CLONE_NEWNS |

                syscall.CLONE_NEWUTS |

                syscall.CLONE_NEWIPC |

                syscall.CLONE_NEWPID |

                syscall.CLONE_NEWNET,

        }

        if tty {

            cmd.Stdin = os.Stdin

            cmd.Stdout = os.Stdout

            cmd.Stderr = os.Stderr

        }

        cmd.ExtraFiles = []*os.File{read}

        cmd.Dir = rootfs

        if err := cmd.Start(); err != nil {

            log.Println("command start error", err)

            return err

        }

        write.WriteString(strings.Join(context.Args().Slice(), " "))

        write.Close()

        cmd.Wait()

        return nil

    },

}

var InitCommand = &cli.Command{

    Name:  "init",

    Usage: "初始化容器进程，请勿直接调用！",

    Action: func(context *cli.Context) error {

        pwd, err := os.Getwd()

        if err != nil {

            log.Printf("Get current path error %v", err)

            return err

        }

        log.Println("Current path is ", pwd)

        cmdArray := readCommandArray()

        if cmdArray == nil || len(cmdArray) == 0 {

            return fmt.Errorf("Command is empty")

        }

        log.Println("CmdArray is ", cmdArray)

        err = pivotRoot(pwd)

        if err != nil {

            log.Printf("pivotRoot error %v", err)

            return err

        }

        //mount proc

        defaultMountFlags := syscall.MS_NOEXEC | syscall.MS_NOSUID | syscall.MS_NODEV

        syscall.Mount("proc", "/proc", "proc", uintptr(defaultMountFlags), "")

        // 配置hostname

        if err := syscall.Sethostname([]byte("lagoudocker")); err != nil {

            fmt.Printf("Error setting hostname - %s\n", err)

            return err

        }

        path, err := exec.LookPath(cmdArray[0])

        if err != nil {

            log.Printf("Exec loop path error %v", err)

            return err

        }

        // export PATH=$PATH:/bin

        if err := syscall.Exec(path, cmdArray[0:], os.Environ()); err != nil {

            log.Println(err.Error())

        }

        return nil

    },

}

func pivotRoot(root string) error {

    // 确保新 root 和老 root 不在同一目录

    // MS_BIND：执行bind挂载，使文件或者子目录树在文件系统内的另一个点上可视。

    // MS_REC： 创建递归绑定挂载，递归更改传播类型

    if err := syscall.Mount(root, root, "bind", syscall.MS_BIND|syscall.MS_REC, ""); err != nil {

        return fmt.Errorf("Mount rootfs to itself error: %v", err)

    }

    // 创建 .pivot_root 文件夹，用于存储 old_root

    pivotDir := filepath.Join(root, ".pivot_root")

    if err := os.Mkdir(pivotDir, 0777); err != nil {

        return err

    }

    // 调用 Golang 封装的 PivotRoot

    if err := syscall.PivotRoot(root, pivotDir); err != nil {

        return fmt.Errorf("pivot_root %v", err)

    }

    // 修改工作目录

    if err := syscall.Chdir("/"); err != nil {

        return fmt.Errorf("chdir / %v", err)

    }

    pivotDir = filepath.Join("/", ".pivot_root")

    // 卸载 .pivot_root

    if err := syscall.Unmount(pivotDir, syscall.MNT_DETACH); err != nil {

        return fmt.Errorf("unmount pivot_root dir %v", err)

    }

    // 删除临时文件夹 .pivot_root

    return os.Remove(pivotDir)

}

func readCommandArray() []string {

    pipe := os.NewFile(uintptr(3), "pipe")

    msg, err := ioutil.ReadAll(pipe)

    if err != nil {

        log.Printf("init read pipe error %v", err)

        return nil

    }

    msgStr := string(msg)

    return strings.Split(msgStr, " ")

}

看到这么多代码你是不是有点懵？别担心，我帮你一一解读。

上面文件中有两个比较重要的变量 InitCommand 和 RunCommand，它们的作用如下：

  • RunCommand 是当我们执行 gocker run 命令时调用的函数，是实现 gocker run 的入口；
  • InitCommand 是当我们执行 gocker run 时自动调用 gocker init 来初始化容器的一些环境。

RunCommand （容器启动的入口）

我们先从 RunCommand 来分析：

var RunCommand = &cli.Command{

    // 定义一个启动命令，这里定义的是 run 命令，当执行 gocker run 时会调用该函数

    Name: "run",

    // 使用说明

    Usage: `启动一个隔离的容器

            gocker run -it [command]`,

    // 执行 gocker run 命令可以传递的参数

    Flags: []cli.Flag{

        &cli.BoolFlag{

            Name:  "it",

            Usage: "是否启用命令行交互模式",

        },

        &cli.StringFlag{

            Name:  "rootfs",

            Usage: "容器根目录",

        },

    },

    // gocker run 命令的执行函数

    Action: func(context *cli.Context) error {

        // 校验参数 

        if context.Args().Len() < 1 {

            return errors.New("参数不全，请检查！")

        }

        read, write, err := os.Pipe()

        if err != nil {

            return err

        }

        // 获取传入的参数的值

        tty := context.Bool("it")

        rootfs := context.String("rootfs")

        // 这里执行 /proc/self/exe init 相当于执行 gocker init

        cmd := exec.Command("/proc/self/exe", "init")

        // 定义新创建哪些命名空间

        cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{

            Cloneflags: syscall.CLONE_NEWNS |

                syscall.CLONE_NEWUTS |

                syscall.CLONE_NEWIPC |

                syscall.CLONE_NEWPID |

                syscall.CLONE_NEWNET,

        }

        // 把容器的标准输出重定向到主机的标准输出

        if tty {

            cmd.Stdin = os.Stdin

            cmd.Stdout = os.Stdout

            cmd.Stderr = os.Stderr

        }

        cmd.ExtraFiles = []*os.File{read}

        cmd.Dir = rootfs

        // 启动容器

        if err := cmd.Start(); err != nil {

            log.Println("command start error", err)

            return err

        }

        write.WriteString(strings.Join(context.Args().Slice(), " "))

        write.Close()

        // 等待容器退出

        cmd.Wait()

        return nil

        }

RunCommand 变量实际上是一个 Command 结构体，这个结构体包含了四个变量。

  1. Name：定义一个启动命令，这里定义的是 run 命令，当执行 gocker run 时会调用该函数。
  2. Usage：gocker run命令的使用说明。
  3. Flags：执行gocker run命令可以传递的参数。
  4. Action： 该变量是真正的 gocker run 命令的入口， 主要做了以下事情：
    • 校验 gocker run 传递的参数；
    • 构造一个 Pipe，把 gocker 的启动参数写入，方便在 init 进程中获取；
    • 定义 /proc/self/exe init 调用，相当于调用 gocker init ；
    • 创建五种命名空间用于资源隔离，分别为 Mount Namespace、UTS Namespace、IPC Namespace、PID Namespace 和 Net Namespace；
    • 调用 cmd.Start 函数，开始执行容器启动步骤，首先创建出来一个 namespace （上一步定义的五种namespace）隔离的进程，然后调用 /proc/self/exe，也就是调用 gocker init，执行 InitCommand 中定义的容器初始化步骤。

那么 InitCommand 究竟做了什么呢？

InitCommand（准备容器环境）

下面我们看下 InitCommand 中的内容：

var InitCommand = &cli.Command{

    Name:  "init",

    Usage: "初始化容器进程，请勿直接调用！",

    Action: func(context *cli.Context) error {

        // 获取当前执行目录

        pwd, err := os.Getwd()

        if err != nil {

            log.Printf("Get current path error %v", err)

            return err

        }

        log.Println("Current path is ", pwd)

        // 获取用户传递的启动参数

        cmdArray := readCommandArray()

        if cmdArray == nil || len(cmdArray) == 0 {

            return fmt.Errorf("Command is empty")

        }

        log.Println("CmdArray is ", cmdArray)

        // pivotRoot 的作用类似于 chroot，可以把我们准备的镜像目录设置为容器的根目录。

        err = pivotRoot(pwd)

        if err != nil {

            log.Printf("pivotRoot error %v", err)

            return err

        }

        // 挂载容器自己的 proc 目录，实现 ps 只能看到容器自己的进程

        defaultMountFlags := syscall.MS_NOEXEC | syscall.MS_NOSUID | syscall.MS_NODEV

        syscall.Mount("proc", "/proc", "proc", uintptr(defaultMountFlags), "")

        // 配置主机名为 lagoudocker

        if err := syscall.Sethostname([]byte("lagoudocker")); err != nil {

            fmt.Printf("Error setting hostname - %s\n", err)

            return err

        }

        path, err := exec.LookPath(cmdArray[0])

        if err != nil {

            log.Printf("Exec loop path error %v", err)

            return err

        }

        // syscall.Exec 相当于 shell 中的 exec 实现，这里用 用户传递的主命令来替换 init 进程，从而实现容器的 1 号进程为用户传递的主进程

        if err := syscall.Exec(path, cmdArray[0:], os.Environ()); err != nil {

            log.Println(err.Error())

        }

        return nil

    },

}

通过代码你能看出 InitCommand 都做了哪些容器启动前的准备工作吗？

InitCommand 主要做了以下几件事情：

  1. 获取当前运行目录；
  2. 从 RunCommand 中获取用户传递的容器启动参数；
  3. 修改当前进程运行的根目录为用户传递的 rootfs 目录；
  4. 挂载容器自己的 proc 目录，使得容器中执行 ps 命令只能看到自己命名空间下的进程；
  5. 设置容器的主机名称为 lagoudocker；
  6. 执行 syscall.Exec 实现使用用户传递的启动命令替换当前 init 进程。

这里有两个比较关键的技术点 pivotRoot 和 syscall.Exec。

  • pivotRoot：pivotRoot 是一个系统调用，主要功能是改变当前进程的根目录，它可以把当前进程的根目录移动到我们传递的 rootfs 目录下，从而使得我们不仅能够看到指定目录，还可以看到它的子目录信息。
  • syscall.Exec：syscall.Exec 是一个系统调用，这个系统调用可以实现执行指定的命令，但是并不创建新的进程，而是在当前的进程空间执行，替换掉正在执行的进程，复用同一个进程号。通过这种机制，才实现了我们在容器中看到的 1 号进程是我们传递的命令，而不是 init 进程。

最后，总结下容器的完整创建流程:

1.使用以下命令创建容器

gocker run -it -rootfs=/tmp/busybox /bin/sh

2.RunCommand 解析请求的参数（-it -rootfs=/tmp/busybox）和主进程启动命令（/bin/sh）；

3.创建 namespace 隔离的容器进程；

4.启动容器进程；

5.容器内的进程执行 /proc/self/exe 调用自己实现容器的初始化，修改当前进程运行的根目录，挂载 proc 文件系统，修改主机名，最后使用 sh 进程替换当前容器的进程，使得容器的主进程为 sh 进程。

目前我们的容器虽然实现了使用 Namespace 隔离各种资源，但是容器内的进程仍然可以任意地使用主机的 CPU 、内存等资源。而这可能导致主机的资源竞争，下面我们使用cgroups来实现对 CPU 和内存的限制。

为 gocker 添加 cgroups 限制

[在第 10 讲中]，我们手动操作 cgroups 实现了对容器资源的限制，下面我把这部分手动操作转化为代码。

编写资源限制源码

首先我们定义 cgroups 的挂载目录和我们要创建的目录，定义如下：

const gockerCgroupPath = "gocker"

const cgroupsRoot = "/sys/fs/cgroup"

然后定义Cgroups结构体，分别定义 CPU 和 Memory 字段，用于存储用户端传递的 CPU 和 Memory 限制值：

type Cgroups struct {

    // 单位 核

    CPU int

    // 单位 兆

    Memory int

}

接着定义 Cgroups 对象的一些操作方法，这样方便我们对当前容器的 cgroups 进程操作。方法定义如下。

  • Apply：把容器的 pid 写入到对应子系统下的 tasks 文件中，使得 cgroups 限制对容器进程生效。
  • Destroy：容器退出时删除对应的 cgroups 文件。
  • SetCPULimit：将 CPU 限制值写入到 cpu.cfs_quota_us 文件中。
  • SetMemoryLimit：将内存限制值写入 memory.limit_in_bytes 文件中。
func (c *Cgroups) Apply(pid int) error {

    if c.CPU != 0 {

        cpuCgroupPath, err := getCgroupPath("cpu", true)

        if err != nil {

            return err

        }

        err = ioutil.WriteFile(path.Join(cpuCgroupPath, "tasks"), []byte(strconv.Itoa(pid)), 0644)

        if err != nil {

            return fmt.Errorf("set cgroup cpu fail %v", err)

        }

    }

    if c.Memory != 0 {

        memoryCgroupPath, err := getCgroupPath("memory", true)

        if err != nil {

            return err

        }

        err = ioutil.WriteFile(path.Join(memoryCgroupPath, "tasks"), []byte(strconv.Itoa(pid)), 0644)

        if err != nil {

            return fmt.Errorf("set cgroup memory fail %v", err)

        }

    }

    return nil

}

// 释放cgroup

func (c *Cgroups) Destroy() error {

    if c.CPU != 0 {

        cpuCgroupPath, err := getCgroupPath("cpu", false)

        if err != nil {

            return err

        }

        return os.RemoveAll(cpuCgroupPath)

    }

    if c.Memory != 0 {

        memoryCgroupPath, err := getCgroupPath("memory", false)

        if err != nil {

            return err

        }

        return os.RemoveAll(memoryCgroupPath)

    }

    return nil

}

func (c *Cgroups) SetCPULimit(cpu int) error {

    cpuCgroupPath, err := getCgroupPath("cpu", true)

    if err != nil {

        return err

    }

    if err := ioutil.WriteFile(path.Join(cpuCgroupPath, "cpu.cfs_quota_us"), []byte(strconv.Itoa(cpu*100000)), 0644); err != nil {

        return fmt.Errorf("set cpu limit fail %v", err)

    }

    return nil

}

func (c *Cgroups) SetMemoryLimit(memory int) error {

    memoryCgroupPath, err := getCgroupPath("memory", true)

    if err != nil {

        return err

    }

    if err := ioutil.WriteFile(path.Join(memoryCgroupPath, "memory.limit_in_bytes"), []byte(strconv.Itoa(memory*1024*1024)), 0644); err != nil {

        return fmt.Errorf("set memory limit fail %v", err)

    }

    return nil

}

最后在 run 命令的 Action 函数中，添加 cgroups 初始化逻辑，将 CPU 和内存的限制值写入到 cgroups 文件中，并且将当前进程的 pid 也写入到 cgroups 的 tasks 文件中，使得 CPU 和内存的限制对于当前容器进程生效。

        cgroup := cgroups.NewCgroups()

        defer cgroup.Destroy()

        cpus := context.Int("cpus")

        if cpus != 0 {

            cgroup.SetCPULimit(cpus)

        }

        m := context.Int("m")

        if m != 0 {

            cgroup.SetMemoryLimit(m)

        }

        cgroup.Apply(cmd.Process.Pid)

到此，我们成功实现了一个带有资源限制的 gocker 容器。下面进入 gocker 的目录，并且编译一下 gocker：

$ cd gocker

$ git checkout lesson-18

$ go install

执行完 go install 后， Golang 会自动帮助我们编译当前项目下的代码，编译后的二进制文件存放在 \(GOPATH/bin 目录下，由于我们之前在 \)HOME/.bashrc 文件下把 $GOPATH/bin 放入了系统 PATH 中，所以此时你可以直接使用 gocker 命令了。

启动带有资源限制的容器

接下来我们使用 gocker 来启动一个带有 CPU 限制的容器：

# gocker run -it -cpus=1 -rootfs=/tmp/busybox /bin/sh

2020/09/19 23:46:27 Current path is  /tmp/busybox

2020/09/19 23:46:27 CmdArray is  [/bin/sh]

/ #

然后我们新打开一个命令行窗口，查看一下 cgroups 相关的文件是否被创建：

# cd /sys/fs/cgroup/cpu

# ls -l

总用量 0

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cgroup.clone_children

--w--w--w-  1 root root 0 9月  19 21:34 cgroup.event_control

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cgroup.procs

-r--r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cgroup.sane_behavior

-r--r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpuacct.stat

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpuacct.usage

-r--r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpuacct.usage_percpu

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpu.cfs_period_us

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpu.cfs_quota_us

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpu.rt_period_us

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpu.rt_runtime_us

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpu.shares

-r--r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 cpu.stat

drwxr-xr-x  2 root root 0 9月  22 20:48 gocker

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 notify_on_release

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 release_agent

drwxr-xr-x 70 root root 0 9月  22 20:24 system.slice

-rw-r--r--  1 root root 0 9月  19 21:34 tasks

drwxr-xr-x  2 root root 0 9月  19 21:34 user.slice

可以看到我们启动容器后， gocker 在 cpu 子系统下，已经成功创建 gocker 目录。然后我们查看一下 gocker 目录下的内容：

# ls -l gocker/

总用量 0

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cgroup.clone_children

--w--w--w- 1 root root 0 9月  22 20:48 cgroup.event_control

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cgroup.procs

-r--r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpuacct.stat

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpuacct.usage

-r--r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpuacct.usage_percpu

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpu.cfs_period_us

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpu.cfs_quota_us

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpu.rt_period_us

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpu.rt_runtime_us

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpu.shares

-r--r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 cpu.stat

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 notify_on_release

-rw-r--r-- 1 root root 0 9月  22 20:48 tasks

可以看到 cgroups 已经帮我们初始化好了 cpu 子系统的文件，然后我们查看一下 cpu.cfs_quota_us 的内容：

# cat gocker/cpu.cfs_quota_us

100000

可以看到我们容器的 CPU资源已经被限制为 1 核。下面我们来验证一下 CPU 限制是否生效。 首先我们在容器窗口使用以下命令制造一个死循环，来提升 cpu 使用率：

# while true;do echo;done;

然后在主机的窗口使用 top 查看一下cpu 使用率：

top - 20:57:50 up 2 days, 23:23,  2 users,  load average: 1.08, 0.27, 0.14

Tasks: 113 total,   4 running, 109 sleeping,   0 stopped,   0 zombie

%Cpu(s): 23.5 us, 26.9 sy,  0.0 ni, 49.2 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.3 si,  0.0 st

KiB Mem :  3880512 total,  1573052 free,   408696 used,  1898764 buff/cache

KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.  3141076 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND

30766 root      20   0    1312    260    212 R  99.3  0.0   0:30.90 sh

通过 top 的输出可以看到我们的容器 cpu 使用率被限制到了 100% 以内，即 1 个核。

到此，我们的容器不仅有了 Namespace 隔离，同时也有了 cgroups 的资源限制。

结语

上一课时和本课时，我们一起安装了 golang，并且使用 golang 实现了一个精简版的 Docker，它具有基本的 namespace 隔离，并且还使用 cgroups 对容器进行了资源限制。

这两个课时的关键技术我帮你总结如下。

  1. Linux 的 /proc 目录是一种“文件系统”，它存放于内存中，是一个虚拟的文件系统，/proc 目录存放了当前内核运行状态的一系列特殊的文件，你可以通过这些文件查看当前的进程信息。
  2. /proc/self/exe 是一个特殊的连接，执行该文件等同于执行当前程序的二进制文件
  3. pivotRoot 是一个系统调用，主要功能是改变当前进程的根目录，它可以把当前进程的根目录移动到我们传递的 rootfs 目录下
  4. syscall.Exec 是一个系统调用，这个系统调用可以实现新的进程直接替换正在执行的老的进程，并且复用老进程的 ID。

另外，容器的实现当然离不开 Linux 的 namespace 和 cgroups 这两项关键技术，有了 Linux 的这些关键技术才使得我们的容器可以顺利实现，可以说 Linux 是容器技术的基石。而容器的编写，我们不仅可以使用 Go 语言，也可以使用其他编程语言，甚至只使用 shell 命令也可以实现一个容器。

那么，你可以使用 shell 命令实现一个精简版的 Docker 吗？思考后，不妨试着写一下。

下一课时，我将教你使用 Docker Compose 解决开发环境的依赖。

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