笔记 | 用go写个docker

  • 开发
  • 6

仅作为自己学习过程的记录，不具备参考价值

前言

看到一段非常有意思的话：

很多人刚接触docker的时候就会感觉非常神奇，感觉这个技术非常新颖，其实并不然，docker使用到的技术都是之前已经存在过的，只不过旧酒换了新瓶罢了。简单来说docker本质其实是一个特殊的进程，这个进程特殊在它被Namespace和Cgroup技术做了装饰，Namespace将该进程与Linux系统进行隔离开来，让该进程处于一个虚拟的沙盒中，而Cgroup则对该进程做了一系列的资源限制，两者配合模拟出来一个沙盒的环境。

本文的学习地址/参考文档：

感谢大佬的写作，受益良多。自认一介尘民做喜欢且能安身立命之本乃人生一大幸事
本文只是对照其进行的拙劣模仿 以及自己半猜测式的研究记录。如有疑问 欢迎指出，感谢

代码环境配置

因为我是在Windows里面写代码，然后进行交叉编译到Linux，所以这里要更改下环境，因为在不同的环境中，go导入的文件也是不同，如果我们的环境使用的Windows，那么使用os/exec包时，导入的将是exec_windows.go，而如果我们的环境是Linux，那么将会导入exec_linux.go文件，因为只有Linux才会给创建进程时提供这个隔离参数，所以我们需要把环境改成Linux。
GoLand配置

进程隔离

clone系统调用

  • CLONE_NEWPID:
当程序代码调用clone时，设定了CLONE_NEWPID，就会创建一个新的PID Namespace，clone出来的新进程将成为Namespace里的第一个进程。一个PID Namespace为进程提供了一个独立的PID环境，PID Namespace内的PID将从1开始，在Namespace内调用fork，vfork或clone都将产生一个在该Namespace内独立的PID。新创建的Namespace里的第一个进程在该Namespace内的PID将为1，就像一个独立的系统里的init进程一样。该Namespace内的孤儿进程都将以该进程为父进程，当该进程被结束时，该Namespace内所有的进程都会被结束。PID Namespace是层次性，新创建的Namespace将会是创建该Namespace的进程属于的Namespace的子Namespace。子Namespace中的进程对于父Namespace是可见的，一个进程将拥有不止一个PID，而是在所在的Namespace以及所有直系祖先Namespace中都将有一个PID。系统启动时，内核将创建一个默认的PID Namespace，该Namespace是所有以后创建的Namespace的祖先，因此系统所有的进程在该Namespace都是可见的。
  • CLONE_NEWIPC:
当调用clone时，设定了CLONE_NEWIPC，就会创建一个新的IPC Namespace，clone出来的进程将成为Namespace里的第一个进程。一个IPC Namespace有一组System V IPC objects 标识符构成，这标识符有IPC相关的系统调用创建。在一个IPC Namespace里面创建的IPC object对该Namespace内的所有进程可见，但是对其他Namespace不可见，这样就使得不同Namespace之间的进程不能直接通信，就像是在不同的系统里一样。当一个IPC Namespace被销毁，该Namespace内的所有IPC object会被内核自动销毁。
  • PID Namespace和IPC Namespace:
PID Namespace和IPC Namespace可以组合起来一起使用，只需在调用clone时，同时指定CLONE_NEWPID和CLONE_NEWIPC，这样新创建的Namespace既是一个独立的PID空间又是一个独立的IPC空间。不同Namespace的进程彼此不可见，也不能互相通信，这样就实现了进程间的隔离。
  • CLONE_NEWNS:
当调用clone时，设定了CLONE_NEWNS，就会创建一个新的mount Namespace。每个进程都存在于一个mount Namespace里面，mount Namespace为进程提供了一个文件层次视图。如果不设定这个flag，子进程和父进程将共享一个mount Namespace，其后子进程调用mount或umount将会影响到所有该Namespace内的进程。如果子进程在一个独立的mount Namespace里面，就可以调用mount或umount建立一份新的文件层次视图。该flag配合pivot_root系统调用，可以为进程创建一个独立的目录空间。
  • CLONE_NEWNET:
当调用clone时，设定了CLONE_NEWNET，就会创建一个新的Network Namespace。一个Network Namespace为进程提供了一个完全独立的网络协议栈的视图。包括网络设备接口，IPv4和IPv6协议栈，IP路由表，防火墙规则，sockets等等。一个Network Namespace提供了一份独立的网络环境，就跟一个独立的系统一样。一个物理设备只能存在于一个Network Namespace中，可以从一个Namespace移动另一个Namespace中。虚拟网络设备(virtual network device)提供了一种类似管道的抽象，可以在不同的Namespace之间建立隧道。利用虚拟化网络设备，可以建立到其他Namespace中的物理设备的桥接。当一个Network Namespace被销毁时，物理设备会被自动移回init Network Namespace，即系统最开始的Namespace。
  • CLONE_NEWUTS:
当调用clone时，设定了CLONE_NEWUTS，就会创建一个新的UTS Namespace。一个UTS Namespace就是一组被uname返回的标识符。新的UTS Namespace中的标识符通过复制调用进程所属的Namespace的标识符来初始化。Clone出来的进程可以通过相关系统调用改变这些标识符，比如调用sethostname来改变该Namespace的hostname。这一改变对该Namespace内的所有进程可见。CLONE_NEWUTS和CLONE_NEWNET一起使用，可以虚拟出一个有独立主机名和网络空间的环境，就跟网络上一台独立的主机一样。
  • 集合
以上所有clone flag都可以一起使用，为进程提供了一个独立的运行环境。LXC正是通过在clone时设定这些flag，为进程创建一个有独立PID，IPC，FS，Network，UTS空间的container。一个container就是一个虚拟的运行环境，对container里的进程是透明的，它会以为自己是直接在一个系统上运行的。

Namespace隔离

package main

import (
	"log"
	"os"
	"os/exec"
	"syscall"
)

func main() {
	cmd := exec.Command("sh")
	// 设置新的Namespace
	cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{
		//设置了系统调用的属性，特别是Cloneflags，它指定了新进程将使用哪些Namespace。
		//syscall.CLONE_NEWNS隔离了挂载点
		//syscall.CLONE_NEWUTS隔离了主机名和域名
		//syscall.CLONE_NEWPID隔离了进程ID
		//syscall.CLONE_NEWNET隔离了网络
		Cloneflags: syscall.CLONE_NEWNS |
			syscall.CLONE_NEWUSER |
			syscall.CLONE_NEWIPC |
			syscall.CLONE_NEWUTS |
			syscall.CLONE_NEWPID |
			syscall.CLONE_NEWNET,
	}
	//将新命令的输入、输出和错误输出重定向到当前进程的对应文件描述符
	cmd.Stdin = os.Stdin
	cmd.Stdout = os.Stdout
	cmd.Stderr = os.Stderr
	if err := cmd.Run(); err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
}

构建过程不多赘述，直接丢到ubuntu上测试一下：

SET CGO_ENABLED=0
SET GOOS=linux
SET GOARCH=amd64
go build -o main

效果如下，外部的主机名并没有被改变，说明我们的go进程成功将自身的hostname与外部hostname进行了隔离。
命名空间隔离运行效果

设置容器的UID和GID

在Linux系统中，每个进程都与特定的用户ID（UID）和组ID（GID）关联，这些ID决定了进程对文件、设备和系统资源的访问权限。在传统的Linux系统中，这些ID是全局的，意味着系统中的每个UID和GID在任何时候都指向相同的用户或用户组。

随着容器技术的发展，出现了一种对这些ID进行隔离的需求，以便在容器环境中提供安全性和多租户隔离。用户命名空间（User Namespaces）是Linux内核的一个特性，使这种隔离成为可能。

当你创建一个新的用户命名空间时，可以定义一个UID和GID的映射，这个映射告诉内核如何将命名空间内的ID转换为命名空间外的主机系统ID。这样，即使是容器内部以root身份运行的进程，在宿主机中也可以被限制为非特权用户，从而提高了安全性。

UidMappings 和 GidMappings 字段

UidMappings和GidMappings字段是在创建新的用户命名空间时使用的，它们定义了容器内部ID和宿主机ID之间的映射关系。这些字段是syscall.SysProcAttr结构体的一部分，当使用CLONE_NEWUSER标志创建新的用户命名空间时，需要设置这些字段。

举个栗子
UidMappings: []syscall.SysProcIDMap{
    {
        ContainerID: 1,
        HostID:      0,
        Size:        1,
    },
},
GidMappings: []syscall.SysProcIDMap{
    {
        ContainerID: 1,
        HostID:      0,
        Size:        1,
    },
},

这里的映射定义了以下关系：

  • ContainerID: 1：这是命名空间内部使用的UID/GID。在此例中，我们使用的是编号为1的ID。
  • HostID: 0：这是宿主机上的UID/GID，编号0通常代表root用户/组。
  • Size: 1：这表示映射的范围。大小为1意味着只有一个UID/GID被映射。

在这个映射中，我们说命名空间内部的UID/GID 1对应于宿主机的root用户/组。这意味着，在此用户命名空间中运行的进程，尽管它可能以UID 1执行，但它在命名空间外部（宿主机上）被视为root用户。因此，这个进程在宿主机角度看来有root权限，但是这通常不是我们期望的。通常，我们希望在容器内部拥有较高权限的进程，在宿主机上对应为较低权限的用户，以提供更强的安全隔离。

实践

在实际的容器环境中，通常会将容器内部的root用户（UID 0）映射到宿主机上的一个非特权用户。例如，UID映射可能如下所示：

UidMappings: []syscall.SysProcIDMap{
    {
        ContainerID: 0, // 容器内的root用户
        HostID:      1000, // 宿主机上的非特权用户
        Size:        1,
    },
},

在这个例子中，容器内部的root用户（ContainerID: 0）实际上是宿主机上的UID 1000，这通常是一个普通用户。这样，即使容器内部的进程以root身份运行，它也只有宿主机上普通用户的权限，从而限制了它可能造成的安全风险。
在新增用户映射后代码如下：

cmd := exec.Command("sh")
	cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{
		Cloneflags: syscall.CLONE_NEWNS |
			syscall.CLONE_NEWUSER |
			syscall.CLONE_NEWIPC |
			syscall.CLONE_NEWUTS |
			syscall.CLONE_NEWPID |
			syscall.CLONE_NEWNET,
		// 设置容器的UID和GID
		UidMappings: []syscall.SysProcIDMap{
			{
				ContainerID: 0,
				HostID: 1000,
				Size:   1,
			},
		},
		GidMappings: []syscall.SysProcIDMap{
			{
				ContainerID: 0,
				HostID: 1000,
				Size:   1,
			},
		},
	}

资源限制

cgroups（控制组）是一种内核特性，用于限制、记录和隔离进程组所使用的物理资源（如CPU、内存、磁盘I/O等）。在Go语言中，我们可以通过操作/sys/fs/cgroup下的文件来与cgroups交互。这涉及到文件系统的操作，比如创建目录、写入文件等，这些都可以通过Go标准库中的os包来实现。

基础概念

在开始编写代码之前，我们需要了解cgroups的一些基础概念：

  • Cgroup子系统：cgroups将其功能按资源类型划分为多个子系统，如cpu、memory、blkio等
  • Cgroup层级：每个子系统可以挂载到一个或多个层级，每个层级可以创建多个cgroup
  • Cgroup：每个cgroup代表一组进程，并且每个cgroup都可以设置资源限制或统计

使用Go操作cgroups大致可以分为以下几个步骤：

  • 挂载cgroup子系统：通常在Linux系统启动时，cgroup子系统就已经被挂载。你可以在/sys/fs/cgroup目录下看到各种资源类型的目录
  • 创建cgroup：通过在相应的子系统目录下创建新目录来创建cgroup
  • 添加进程到cgroup：将进程ID写入到cgroup目录的cgroup.procs文件中
  • 设置资源限制：通过修改或写入特定的配置文件（如memory.limit_in_bytes）来设置资源限制
  • 清理：任务完成后，删除cgroup以释放资源
实际在ubuntu上操作一下，首先创建一个挂载点目录：
mkdir CgroupTest
挂载hierarchy：
mount -t cgroup -o none,name=CgroupTest CgroupTest ./CgroupTest/

查看内容：
查看内容

  • cgroup.clone_children：subsystem会读取该文件，如果该文件里面的值为1的话，那么子 cgroup将会继承父cgroup的cpuset配置
  • cgroup.procs：记录当前节点cgroup中的进程组ID
  • task: 标识该cgroup下的进程ID，如果将某个进程的ID写到该文件中，那么便会将该进程加入到当前的cgroup 中
新建子cgroup：

只要在挂载了hierarchy的目录下，新建一个子目录，那么新的子目录会被自动标记为该cgroup的子cgroup
新建子cgroup
这个目录1就是CgroupTest的子cgroup，默认情况下，他会继承父cgroup的配置

通过subsystem 限制cgroup中进程的资源

上述创建的hierarchy并没有关联到任何的subsystem，所以没办法通过上面的hierarchy中的cgroup节点来限制进程的资源占用，其实系统默认已经为每个subsystem创建了一个默认的hierarchy，它在Linux的/sys/fs/cgroup路径下：
/sys/fs/cgroup
如果想限制某个进程ID的内存，那么就在/sys/fs/cgroup/memory目录下创建一个限制mermory的cgroup，只要创建一个文件夹即可，kernel会自动把该文件夹标记为一个cgroup，我们来尝试一下：
内存限制
可以看到该目录下，自动给我们创建出来了很多限制资源文件，我们只要将进程ID写到该文件夹下的task文件中，然后修改名叫meory.limit_in_bytes的文件内容，就能限制该进程的内存使用。
如果在这时你打算删掉这些测试目录，可能会发现：即使你使用了root用户，依旧无法删除/sys/fs/cgroup/memory/下的目录文件：
删除
此时你可以去检查该cgroup的连接：

lsof | grep /sys/fs/cgroup/memory/CgroupTest1

如果查到有连接直接kill掉，然后使用rmdir命令进行删除：

rmdir CgroupTest1/

rmdir删除

Go中使用Cgroup

package main

import (
	"fmt"
	"io/ioutil"
	"os"
	"os/exec"
	"path"
	"strconv"
	"syscall"
)

const (
	// 挂载memory subsystem的hierarchy的根目录位置
	cgroupMemoryHierarchyMount = "/sys/fs/cgroup/memory"
)

func main() {
	if os.Args[0] == "/proc/self/exe" {
		//容器进程
		fmt.Printf("current pid %d \n", syscall.Getpid())
		cmd := exec.Command("sh", "-c", "stress --vm-bytes 200m --vm-keep -m 1")
		cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{}
		cmd.Stdin = os.Stdin
		cmd.Stdout = os.Stdout
		cmd.Stderr = os.Stderr
		if err := cmd.Run(); err != nil {
			fmt.Printf("Error running stress command: %v\n", err)
			return
		}
	}

	cmd := exec.Command("/proc/self/exe")
	cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{
		Cloneflags: syscall.CLONE_NEWNS |
			syscall.CLONE_NEWUSER |
			syscall.CLONE_NEWIPC |
			syscall.CLONE_NEWUTS |
			syscall.CLONE_NEWPID |
			syscall.CLONE_NEWNET,
	}

	if err := cmd.Start(); err != nil {
		fmt.Printf("Error starting process: %v\n", err)
		return
	}

	// 得到 fork出来进程映射在外部命名空间的pid
	fmt.Printf("New process PID: %+v\n", cmd.Process.Pid)

	// 创建子cgroup
	newCgroup := path.Join(cgroupMemoryHierarchyMount, "Cgroup-Test")
	if err := os.Mkdir(newCgroup, 0755); err != nil {
		fmt.Printf("Error creating cgroup: %v\n", err)
		return
	}
	defer os.RemoveAll(newCgroup)

	// 将容器进程放到子cgroup中
	if err := ioutil.WriteFile(path.Join(newCgroup, "tasks"), []byte(strconv.Itoa(cmd.Process.Pid)), 0644); err != nil {
		fmt.Printf("Error adding process to cgroup: %v\n", err)
		return
	}

	// 限制cgroup的内存使用
	if err := ioutil.WriteFile(path.Join(newCgroup, "memory.limit_in_bytes"), []byte("100m"), 0644); err != nil {
		fmt.Printf("Error setting memory limit: %v\n", err)
		return
	}
}

在运行该代码之前需要确保服务器上已经安装了stress命令，且该程序的执行结果应该为报错结束。因为我们只给了cgroup100M的内存，但是我们模拟了200M的内存压力。

未完待续

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