​容器​與虛擬化技術實現原理對比

文章摘要： 虛擬化技術是指在同一臺計算機上通過hypervisor虛擬出多個包括完整虛擬機器系統映象，每個虛擬機器擁有獨立的作業系統和硬體資源。以KVM為例，下面初探一下虛擬化技術的實現原理。

寫在前面：

在網際網路技術日益革新、產品快速迭代的今天，如何在提高資源使用率、提升效率的同時又兼顧互不干涉、安全隔離的原則，促使了虛擬化技術和容器技術的相繼誕生。

虛擬化技術有KVM、VMWare等並駕齊驅，容器技術為docker獨領風騷。

傳統虛擬化技術與容器虛擬化技術的簡要技術架構對比如下：

Part.1 虛擬化技術

虛擬化技術是指在同一臺計算機上通過hypervisor虛擬出多個包括完整虛擬機器系統映象，每個虛擬機器擁有獨立的作業系統和硬體資源。

以KVM為例，下面初探一下虛擬化技術的實現原理。

1.1 KVM虛擬化技術

KVM虛擬化的實現，主要是通過嵌入linux核心的kvm模組與QEMU相互配合實現全虛擬化，而兩者的通訊主要通過一系列針對特殊裝置檔案/dev/kvm的IOCTL呼叫實現。

Kvm模組的主要功能為cpu虛擬化+記憶體虛擬化，在提供虛擬化功能時，它會暴露一個/dev/kvm的介面，這個介面主要是用來建立和執行vCPU(虛擬CPU)以及分配虛擬記憶體空間、vCPU暫存器的讀寫。

而QEMU則是以動態二進制轉換來建立和管理各種裝置，通過IOCTL呼叫kvm的介面將部分CPU指令交給vCPU執行，kvm也依賴qemu模擬IO裝置（磁碟，網絡卡，顯示卡等），從而實現完整意義上的全虛擬化。

從下圖QEMU簡化的核心程式碼可以管中窺豹領略兩者的聯絡。

Qemu啟動程式碼：

可以看到，kvm提供了一個裝置/dev/kvm，對kvm的控制要通過這個裝置提供的io_ctl介面實現。

Kvm核心在主機上虛擬出vCPU,虛擬記憶體，再通過QEMU建立和管理各個虛擬I/O裝置包括虛擬網絡卡，磁碟等，安裝上OS（作業系統），實現虛擬機器建立的每個虛擬機器相當於獨立出來的計算機。

1.2 舉個例子

從技術上無法理解的童鞋可以不看上面的原理，我用通俗的語言說明一下，好比我們有一個冷藏室，我有很多種類的食物需要冷藏，但是爲了空間利用，快速分類和互不串味，虛擬化技術的實現就是將冷藏室隔成各個小庫房，並且把冷凍機拆開組裝成多個小製冷機每個房間放一個，這樣小房間溫度也可控，而且味道也不會串。

Part.2 容器技術

容器技術是後於虛擬化技術出現的，如果說虛擬化技術的出現主要是爲了解決資源調配和隔離的問題，那麼容器技術解決的是應用開發、測試和部署等提升效率的問題。而Docker在眾多容器解決方案中脫穎而出，儼然成爲了容器技術的代表，現在就以Docker為例，介紹一下容器技術的實現原理。

2.1 Docker

Docker的理念為「Build,Ship and Run Any App,Anywhere」，非常美好的願景。爲了實現這個目標，Docker通過Namespace分離程序，隔離網路介面、掛載點和程序間通訊，使用Croups將CPU和記憶體等物理資源隔離開，這樣就將一個完全對宿主機「一無所知」而且擁有「獨立」資源的容器構造出來了，相比虛擬化技術，實際上容器還是容器之間共享同一個系統核心。

2.1.1 Namespace

Namespace的目的為通過抽象方法使得namespace 中的程序看起來擁有它們自己的隔離的全域性系統資源例項，linux核心實現了六種namespace：Mount namespaces，UTS namespaces，IPC namespaces，PID namespaces，Network namespaces，User namespaces，分別的功能為:隔離檔案系統、定義hostname和domainame、特定的程序間通訊資源、獨立程序ID結構、獨立網路裝置、使用者和組ID空間。

Docker在建立一個容器的時候，會建立以上六種Namespace例項，然後將隔離的系統資源放入到相應的Namespace中，使得每個容器只能看到自己獨立的系統資源。

以PID namespaces為例，Docker是怎麼使容器擁有獨立的PID空間的：

Linux核心中通過pid_namespace隔離PID，首先來看下pid_namespace的簡要數據結構：

struct pid_namespace
struct kref kref;

//引用計數
struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];

//pid分配的bitmap，如果位為1，表示這個pid已經分配了

int last_pid;

//記錄上次分配的pid，理論上，當前分配的pid=last_pid+1

struct task_struct *child_reaper;

//表示程序結束後，需要這個child_reaper程序對這個程序進行託管

struct kmem_cache *pid_cachep;
unsigned int level;

//記錄這個pid namespace的深度
struct pid_namespace *parent;

//記錄父pid namespace
struct fs_pin *bacct;
#endif
;

其中陣列pidmap記錄了PID的分配情況，每一位代表了對應偏移量的PID是否分配，保證了PID不重複。
每一個程序都會生成一個task_struct，task_struct的簡單數據結構如下：

struct task_struct

………….
pid_t pid;
struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
………….

其中pid的簡單數據結構如下：

struct pid

unsigned int level;

//這個pid所在的層級
struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX];

//一個hash表,又三個表頭,分別是pid表頭,程序組id表頭,會話id表頭,用於和task_struct進行關聯

struct upid numbers[1];

//這個pid對應的名稱空間,一個pid不僅要包含當前的pid,還有包含父名稱空間,預設大小為1,所以就處於根名稱空間中

;

可以看出來，PID namespace主要通過以上三種數據結構的關聯，將容器內部也就是獨立的namespace中的uPID與宿主機上的PID建立起查詢關係。

具體的做法為，task_struct結構體中的pid_link成員的node欄位就被鄰接到pid中的upid。upid通過pid_hash和pid數值關聯了起來，這樣就可以通過pid數值快速的找到所有名稱空間的upid結構，numbers是一個struct pid的最後一個成員，利用可變陣列來表示這個pid結構當前有多少個名稱空間．這樣Docker就實現了容器程序間PID的隔離。
其它系統資源的實現方式雖然與PID隔離有所差異，但是總體來說大同小異，都是通過linux核心的namespace實現資源隔離。

2.1.2Cgroups

前面介紹了Docker如何將系統資源進行隔離，下面簡單介紹一下Docker如何利用Croups控制各個容器使用繫系統資源。

Croups也是linux核心中提供一種機制，它的功能主要是限制、記錄、隔離程序所使用的物理資源，比如：CPU、mermory、IO、network等，下面我們就看看它是如何做到的吧。

簡單來說，Cgroups在接收到呼叫時，會給指定的程序掛上鉤子，這個鉤子會在資源被使用的時候觸發，觸發時會根據資源的類別（CPU,mermory,io等）使用對應的方法進行限制。

Croups中有一個術語叫做subsystem（子系統），也就是一個資源排程控制器，CPU subsystem負責CPU的時間分配，mermory subsystem負責mermory的使用量等。Cgroups的資源控制單位為組稱之為cgroup，每個cgroup都包含一個或者多個subsystem。當一個任務加入了某個cgroup，cgroup對應的subsystem就開始工作，像上文提到的鉤子就會觸發subsystem進行資源的限制。

Docker 啟動一個容器後，會在/sys/fs/cgroup目錄下生成帶有此容器ID的資料夾，裏面就是呼叫Croups的配置檔案，從而實現通過cgroups限制容器的資源使用率。

2.2 舉個例子

結合最開始虛擬化的例子，我們有一個冷藏室，容器化技術就好比將冷藏室隔成各個小房間（namespace），然後用導管和閥門（cgroups）將冷氣輸送到各個房間。相比與之前提到的「虛擬化冷藏」，這種方式佔用更少的資源和擴充套件啟動速度更快的優點。

Part.3 總結

綜上，虛擬化技術為使用者提供了一個完整的虛擬機器：包括核心在內的一個完整的系統映象。容器化技術為應用程式提供了隔離的執行空間：每個容器內都包含一個獨享的完整使用者環境空間，容器之間共享同一個系統核心。

兩種技術都有各自的優點，比如虛擬化有更佳的隔離性和安全性，容器化快速擴充套件、靈活性和易用性。也有各自的缺點，比如虛擬化技術實施難度高、更新和升級困難、相比容器過於笨重。容器化技術也存在較差的隔離性、安全性不高（宿主機被感染，所有容器受到影響）等缺點。

雖然兩者的出現希望解決相同的問題，但是目前看來，並無孰優孰劣的定論。反而將兩種技術結合起來，一個容器中執行一個虛擬機器或者一個虛擬機器中執行多個容器。這樣，既保證了強隔離性和安全性的同時，也有了快速擴充套件、靈活性和易用性。所以說，除了世界上最好的語言PHP，技術都是不完美的，但是不能阻擋我們追求完美的步伐，就醬。

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