微服務(wù)架構(gòu)之「 容器技術(shù) 」

現(xiàn)在一聊到容器技術(shù)，大家就默認是指 docker 了。但事實上，在 Docker 出現(xiàn)之前，PaaS社區(qū)早就有容器技術(shù)了，以 Cloud Foundry、OpenShift 為代表的就是當時的主流。

那為啥最終還是 Docker 火起來了呢？

因為傳統(tǒng)的PaaS技術(shù)雖然也可以一鍵將本地應(yīng)用部署到云上，并且也是采用隔離環(huán)境（容器）的形式去部署，但是其兼容性非常的不好。因為其主要原理就是將本地應(yīng)用程序和啟停腳本一同打包，然后上傳到云服務(wù)器上，然后再在云服務(wù)器里通過腳本啟動這個應(yīng)用程序。

這樣的做法，看起來很理想。但是在實際情況下，由于本地與云端的環(huán)境差異，導(dǎo)致上傳到云端的應(yīng)用經(jīng)常各種報錯、運行不起來，需要各種修改配置和參數(shù)來做兼容。甚至在項目迭代過程中不同的版本代碼都需要重新去做適配，非常耗費精力。

然而 Docker 卻通過一個小創(chuàng)新完美的解決了這個問題。在 Docker 的方案中，它不僅打包了本地應(yīng)用程序，而且還將本地環(huán)境（操作系統(tǒng)的一部分）也打包了，組成一個叫做「 Docker鏡像 」的文件包。所以這個「 Docker鏡像 」就包含了應(yīng)用運行所需的全部依賴，我們可以直接基于這個「 Docker鏡像 」在本地進行開發(fā)與測試，完成之后，再直接將這個「 Docker鏡像 」一鍵上傳到云端運行即可。

Docker 實現(xiàn)了本地與云端的環(huán)境完全一致，做到了真正的一次開發(fā)隨處運行。

一、容器到底是什么？

容器到底是什么呢？也許對于容器不太了解，但我們對虛擬機熟悉啊，那么我們就先來看一下容器與虛擬機的對比區(qū)別：

上圖的左側(cè)是虛擬機的原理，右側(cè)是docker容器的原理。

虛擬機是在宿主機上基于 Hypervisor 軟件虛擬出一套操作系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備，再在這些虛擬硬件上安裝操作系統(tǒng) Guest OS，然后不同的應(yīng)用程序就可以運行在不同的 Guest OS 上，應(yīng)用之間也就相互獨立、資源隔離了，但是由于需要 Hypervisor 來創(chuàng)建虛擬機，且每個虛擬機里需要完整的運行一套操作系統(tǒng) Guest OS，因此這個方式會帶來很多額外資源的開銷。

而 Docker容器 中卻沒有 Hypervisor 這一層，雖然它需要在宿主機中運行 Docker Engine，但它的原理卻完全不同于 Hypervisor，它并沒有虛擬出硬件設(shè)備，更沒有獨立部署全套的操作系統(tǒng) Guest OS。

Docker容器沒有那么復(fù)雜的實現(xiàn)原理，它其實就是一個普通進程而已，只不過它是一種經(jīng)過特殊處理過的普通進程。

我們啟動容器的時候（docker run …），Docker Engine 只不過是啟動了一個進程，這個進程就運行著我們?nèi)萜骼锏膽?yīng)用。但 Docker Engine 對這個進程做了一些特殊處理，通過這些特殊處理之后，這個進程所看到的外部環(huán)境就不再是宿主機的那個環(huán)境了（它看不到宿主機中的其它進程了，以為自己是當前操作系統(tǒng)唯一一個進程），并且 Docker Engine 還對這個進程所使用得資源進行了限制，防止它對宿主機資源的無限使用。

那 Docker Engine 具體是做了哪些特殊處理才有這么神奇的效果呢？

二、容器是如何做到資源隔離和限制的？

Docker容器對這個進程的隔離主要采用2個技術(shù)點：

弄清楚了這兩個技術(shù)點對理解容器的原理非常重要，它們是容器技術(shù)的核心。

下面來詳細解釋一下：

Namespace 技術(shù)

Namespace 并不是一個什么新技術(shù)，它是Linux操作系統(tǒng)默認提供的API，包括 PID Namespace、Mount Namespace、IPC Namespace、Network Namespace等等。

以 PID Namespace 舉例，它的功能是可以讓我們在創(chuàng)建進程的時候，告訴Linux系統(tǒng)，我們要創(chuàng)建的進程需要一個新的獨立的進程空間，并且這個進程在這個新的進程空間里的PID=1，也就是說這個進程只看得到這個新進程空間里的東西，看不到外面宿主機環(huán)境里的東西，也看不到其它進程（不過這只是一個虛擬空間，事實上這個進程在宿主機里PID該是啥還是啥，沒有變化，只不過在這個進程空間里，該進程以為自己的PID=1）。

打個比方，就像是一個班級，每個人在這個班里都有一個編號，班里有90人，然后來了一位新同學(xué)，那他在班里的編號就是91，可是老師為了給這位同學(xué)特別照顧，所以在班里開辟了一塊獨立的看不到外面的小隔間，并告訴這個同學(xué)他的編號是1，由于這位同學(xué)在這個小空間里隔離著，所以他真的以為自己就是班上的第一位同學(xué)且編號為1，當然了，事實上這位同學(xué)在班上的編號依然是91。

另外，Network Namespace 的技術(shù)原理也是類似的，讓這個進程只能看到當前Namespace空間里的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，看不到宿主機真實情況。同理，其它 Mount、IPC等 Namespace 也是這樣。

Namespace 技術(shù)其實就是修改了應(yīng)用進程的視覺范圍，但應(yīng)用進程的本質(zhì)卻沒有變化。

不過，Docker容器里雖然帶有一部分操作系統(tǒng)（文件系統(tǒng)相關(guān)），但它并沒有內(nèi)核，因此多個容器之間是共用宿主機的操作系統(tǒng)內(nèi)核的。這一點與虛擬機的原理是完全不一樣的。

Cgroups 技術(shù)

Cgroup 全稱是 Control Group，其功能就是限制進程組所使用的最大資源（這些資源可以是 CPU、內(nèi)存、磁盤等等）。

既然 Namespace 技術(shù) 只能改變一下進程組的視覺范圍，并不能真實的對資源做出限制。那么為了防止容器（進程）之間互相搶資源，甚至某個容器把宿主機資源全部用完導(dǎo)致其它容器也宕掉的情況發(fā)生。因此，必須采用 Cgroup 技術(shù)對容器的資源進行限制。

Cgroup 技術(shù)也是Linux默認提供的功能，在Linux系統(tǒng)的 /sys/fs/cgroup 下面有一些子目錄 cpu、memory等，Cgroup技術(shù)提供的功能就是可以基于這些目錄實現(xiàn)對這些資源進行限制。

例如：在 /sys/fs/cgroup/cpu 下面創(chuàng)建一個 dockerContainer 子目錄，系統(tǒng)就會自動在這個新建的目錄下面生成一些配置文件，這些配置文件就是用來控制資源使用量的。例如可以在這些配置文件里面設(shè)置某個進程ID對CPU的最大使用率。

Cgroup 對其它內(nèi)存、磁盤等資源也是采用同樣原理做限制。

三、容器的鏡像是什么？

一個基礎(chǔ)的容器鏡像其實就是一個 rootfs，它包含操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)（文件和目錄），但并不包含操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

rootfs 是在容器里根目錄上掛載的一個全新的文件系統(tǒng)，此文件系統(tǒng)與宿主機的文件系統(tǒng)無關(guān)，是一個完全獨立的，用于給容器進行提供環(huán)境的文件系統(tǒng)。

對于一個Docker容器而言，需要基于 pivot_root 指令，將容器內(nèi)的系統(tǒng)根目錄切換到rootfs上，這樣，有了這個 rootfs，容器就能夠為進程構(gòu)建出一個完整的文件系統(tǒng)，且實現(xiàn)了與宿主機的環(huán)境隔離，也正是有了rootfs，才能實現(xiàn)基于容器的本地應(yīng)用與云端應(yīng)用運行環(huán)境的一致。

另外，為了方便鏡像的復(fù)用，Docker 在鏡像中引入了層（Layer）的概念，可以將不同的鏡像一層一層的迭在一起。這樣，如果我們要做一個新的鏡像，就可以基于之前已經(jīng)做好的某個鏡像的基礎(chǔ)上繼續(xù)做。

如上圖，這個例子中最底層是操作系統(tǒng)引導(dǎo)，往上一層就是基礎(chǔ)鏡像層（Linux的文件系統(tǒng)），再往上就是我們需要的各種應(yīng)用鏡像，Docker 會把這些鏡像聯(lián)合掛載在一個掛載點上，這些鏡像層都是只讀的。只有最上面的容器層是可讀可寫的。

這種分層的方案其實是基于 聯(lián)合文件系統(tǒng)UnionFS（Union File System）的技術(shù)實現(xiàn)的。它可以將不同的目錄全部掛載在同一個目錄下。舉個例子，假如有文件夾 test1 和 test2 ，這兩個文件夾里面的文件 有相同的，也有不同的。然后我們可以采用聯(lián)合掛載的方式，將這兩個文件夾掛載到 test3 上，那么 test3 目錄里就有了 test1 和 test2 的所有文件（相同的文件有去重，不同的文件都保留）。

這個原理應(yīng)用在Docker鏡像中，比如有2個同學(xué)，同學(xué)A已經(jīng)做好了一個基于Linux的Java環(huán)境的鏡像，同學(xué)S想搭建一個Java Web環(huán)境，那么他就不必再去做Java環(huán)境的鏡像了，可以直接基于同學(xué)A的鏡像在上面增加Tomcat后生成新鏡像即可。

以上，就是對微服務(wù)架構(gòu)之「 容器技術(shù) 」的一些思考。