[k8s]容器基础-隔离与限制

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，
这不就是 PaaS 最理想的状态嘛。

"程序"被执行起来，它就从磁盘上的二进制文件，变成了计算机内存中的数据、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。
像这样一个程序运行起来后的计算机执行环境的总和，就是：进程

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 容器来说，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

在docker容器中执行ps命令，可以看到我们在 Docker 里最开始执行的 /bin/sh，
就是这个容器内部的第 1 号进程（PID=1），
而这个容器里一共只有两个进程在运行。
这就意味着，前面执行的 /bin/sh，以及我们刚刚执行的 ps，
已经被 Docker 隔离在了一个跟宿主机完全不同的世界当中

在宿主机中执行/bin/sh如下，PID是1536

这种机制，其实就是对被隔离应用的进程空间做了手脚，使得这些进程只能看到重新计算过的进程编号，比如 PID=1。
可实际上，他们在宿主机的操作系统里，还是原来的第 1536号进程。

这种技术，就是 Linux 里面的 Namespace 机制。
在 Linux 系统中创建进程的系统调用是 clone()，比如：

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

这个系统调用就会为我们创建一个新的进程，并且返回它的进程号 pid。

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，比如

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

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。
就是 Linux 容器最基本的实现原理了。
所以说，容器，其实是一种特殊的进程而已。

在理解了 Namespace 的工作方式之后，你就会明白，跟真实存在的虚拟机不同，
在使用 Docker 的时候，并没有一个真正的“Docker 容器”运行在宿主机里面。
Docker 项目帮助用户启动的，还是原来的应用进程，
只不过在创建这些进程时，Docker 为它们加上了各种各样的 Namespace 参数。
这些进程就会觉得自己是各自 PID Namespace 里的第 1 号进程，
只能看到各自 Mount Namespace 里挂载的目录和文件，
只能访问到各自 Network Namespace 里的网络设备，
就仿佛运行在一个个“容器”里面。

基于 Linux Namespace 的隔离机制相比于虚拟化技术也有很多不足之处，其中最主要的问题就是：隔离得不彻底。
首先，既然容器只是运行在宿主机上的一种特殊的进程，那么多个容器之间使用的就还是同一个宿主机的操作系统内核。

在 Linux 内核中，有很多资源和对象是不能被 Namespace 化的，最典型的例子就是：时间。
如果在一个容器中修改了系统时间，那么整个宿主机的时间都会被修改。

Linux Cgroups 就是 Linux 内核中用来为进程设置资源限制的一个重要功能。Linux Cgroups 的全称是 Linux Control Group。它最主要的作用，就是限制一个进程组能够使用的资源上限，包括 CPU、内存、磁盘、网络带宽等等。

Cgroups 的每一个子系统都有其独有的资源限制能力，比如：
blkio，为​​​块​​​设​​​备​​​设​​​定​​​I/O 限​​​制，一般用于磁盘等设备；
cpuset，为进程分配单独的 CPU 核和对应的内存节点；
memory，为进程设定内存使用的限制。

Linux Cgroups 的设计还是比较易用的，简单粗暴地理解呢，它就是一个子系统目录加上一组资源限制文件的组合。
而对于 Docker 等 Linux 容器项目来说，它们只需要在每个子系统下面，为每个容器创建一个控制组（即创建一个新目录），然后在启动容器进程之后，把这个进程的 PID 填写到对应控制组的 tasks 文件中就可以了。
而至于在这些控制组下面的资源文件里填上什么值，就靠用户执行 docker run 时的参数指定了，比如这样一条命令：

$ docker run -it --cpu-period=100000 --cpu-quota=20000 ubuntu /bin/bash

在启动这个容器后，我们可以通过看 Cgroups 文件系统下，CPU 子系统中，
“docker”这个控制组里的资源限制文件的内容来确认：

$ cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/5d5c9f67d/cpu.cfs_period_us
 100000
$ cat /sys/fs/cgroup/cpu/docker/5d5c9f67d/cpu.cfs_quota_us 
20000

这就意味着这个 Docker 容器，只能使用到 20% 的 CPU 带宽。

容器是一个“单进程”模型

由于一个容器的本质就是一个进程，用户的应用进程实际上就是容器里 PID=1 的进程，也是其他后续创建的所有进程的父进程。
这就意味着，在一个容器中，你没办法同时运行两个不同的应用，除非你能事先找到一个公共的 PID=1 的程序来充当两个不同应用的父进程，
这也是为什么很多人都会用 systemd 或者 supervisord 这样的软件来代替应用本身作为容器的启动进程

Docker 项目来说，它最核心的原理实际上就是为待创建的用户进程：
启用 Linux Namespace 配置；
设置指定的 Cgroups 参数；
切换进程的根目录（Change Root）。

总结：

1、虚拟机 是硬件隔离，因为hypervisor 虚拟一系列硬件资源

2、容器是 进程级隔离，依靠NameSpace 机制实现进程间的隔离

3、容器的资源限制，依靠Linux Cgroups，它就是限制一个进程组能够使用的资源上限，包括 CPU、内存、磁盘、网络带宽等等。

4、容器只是运行在宿主机上的一种特殊的进程，那么多个容器之间使用的就还是同一个宿主机的操作系统内核。

5、通过exec在容器中执行启动的后台进程，实际不受docker控制（回收和生命周期），只有PID=1的受控制。

6、Namespace做隔离，Cgroups做限制，rootfs做文件系统