初识Docker

什么是虚拟化、容器化

• 物理机：实际的服务器或者计算机。相对于虚拟机而言的对实体计算机的称呼。物理机提供给虚拟机以硬件环境，有时也称为“寄主”或“宿主”。
• 虚拟化：是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。
• 容器化：容器化是一种虚拟化技术，又称操作系统层虚拟化（Operating system level virtualization），这种技术将操作系统内核虚拟化，可以允许用户空间软件实例（instances）被分割成几个独立的单元，在内核中运行，而不是只有一个单一实例运行。这个软件实例，也被称为是一个容器（containers）。对每个实例的拥有者与用户来说，他们使用的服务器程序，看起来就像是自己专用的。容器技术是虚拟化的一种。docker 是现今容器技术的事实标准。

通俗一点的例子：

• 物理机就像一个庄园，独立占用了一块土地，花园都是自己的，其他人无法共享使用。

• 虚拟机相当于开发商的一个楼盘，一栋楼一套房子一户人家，共享一块宅基地，共享小区的设施。

• 小区的花园，共享小区的游乐设施。容器相当于在 1 个房子里面，开辟出来一个又一个的胶囊公寓，共享这套房子的卫生

  间、共享厨房、共享 WiFi，只有衣服、电脑等私人物品是你自己的。

为什么要虚拟化、容器化？

• 资源利用率高：比如我们在某云上买了一个1核2G的服务器，另一个人买了一个2核4G的服务器，它并不是真的是给你买了一个真实的电脑放在那里，而是一个很大的服务器，直接切出来，1核2G给我，2核4G给他，当这些资源不用了，还能收回来。
• 环境标准化：一次构建，随处执行。实现执行环境的标准化发布，部署和运维。开发过程中一个常 见的问题是环境一致性问题。由于开发环境、测试环境、生产环境不一致，导致有些 bug 并未在开发过程中被发现。而 Docker 的镜像提供了除内核外完整的运行时环境， 确保了应用运行环境一致性
• 资源弹性伸缩：根据业务情况，动态调整计算、存储、网络等硬件及软件资源。比如遇到双 11 了，把服务扩容
• 差异化环境提供：比如我的服务一个依赖 Ubuntu 操作系统，一个服务依赖 CentOS 操作系统，但是没有预算购买两个物理机，这个时候容器化就能很好的提供多种不同的环境。
• 沙箱安全：为避免不安全或不稳定软件对系统安全性,稳定性造成影响,可使用虚拟化技术构建 虚拟执行环境
• 容器对比虚拟机更轻量，启动更快: 传统的虚拟机技术启动应用服务往往需要数分钟，而 Docker 容器应用，由于直接运行于宿主内核，无需启动完整的操作系统，因此可以做到秒级、甚至毫秒级的启动时间。大大的节约了开发、测试、部署的时间。docker 不需要虚拟内核，所以启动可以更快，相当于 windows 的开机时间省去了
• 维护和扩展容易：Docker 使用的分层存储以及镜像的技术，使得应用重复部分的复用更为容易，也使得 应用的维护更新更加简单，基于基础镜像进一步扩展镜像也变得非常简单

虚拟化实现方式

应用程序执行环境分层

• 硬件层：提供硬件抽象，包括指令集架构、硬件设备及硬件访问接口
• 操作系统层 ：提供系统调用接口，管理硬件资源
• 程序库层：提供数据结构定义及函数调用接口

虚拟化常见类别

1. 虚拟机： 存在于硬件层和操作系统层间的虚拟化技术。虚拟机通过“伪造”一个硬件抽象接口
2. 容器：存在于操作系统层和函数库层之间的虚拟化技术。容器通过“伪造”操作系统的接口
3. JVM 之类的虚拟机：存在于函数库层和应用程序之间的虚拟化技术

常见虚拟化实现

主机虚拟化(虚拟机)实现

主机虚拟化的原理是通过在物理服务器上安装一个虚拟化层来实现。这个虚拟化层可 以在物理服务器和客户操作系统之间建立虚拟机，使得它们可以独立运行。从软件框架的角度上，根据虚拟化层是直接位于硬件之上还是在一个宿主操作系统之上，将虚拟化划分为两种类型

在这之前要知道一个东西：Hypervisor，那么这个东西是什么呢？

Hypervisor

Hypervisor 又称虚拟机监视器（VMM），是一种可以创建和管理虚拟环境的软件或硬件技术。

主要功能

1. 资源隔离 - 它能够将物理硬件资源（如 CPU、内存、存储和网络接口等）进行划分和隔离，使多个虚拟机（VM）可以在同一台物理主机上独立运行，互不干扰。每个虚拟机都认为自己独占了整个物理系统资源。 - 例如，一个物理服务器上运行着多个虚拟机，其中一个虚拟机的崩溃不会影响其他虚拟机的正常运行。
2. 资源分配 - Hypervisor 负责为每个虚拟机分配适当的资源，如 CPU 时间、内存大小和磁盘空间等。可以根据不同虚拟机的需求动态调整资源分配，以提高资源利用率。 - 比如，对于需要大量计算资源的虚拟机，可以分配更多的 CPU 核心和内存；而对于资源需求较低的虚拟机，则可以减少分配，从而使物理资源得到更有效的利用。
3. 虚拟机管理 - 提供虚拟机的创建、启动、停止、暂停、恢复和删除等操作。用户可以通过 Hypervisor 的管理界面方便地管理多个虚拟机。 - 例如，管理员可以在不中断物理服务器运行的情况下，快速创建新的虚拟机以满足业务增长的需求，或者停止不再需要的虚拟机以节省资源。

再回到虚拟化的两种类型

• 类型一： 类型一的Hypervisor是一种系统软件，它充当计算机硬件和虚拟机之间的中介，负责有效地分配和利用由各个虚拟机使用的硬件资源，这些虚拟机在物理主 机上单独工作，直接运行在硬件之上，没有宿主机操作系统，Hypervisor 直接控制硬件资源和客户机。
• 类型二：类型二的 Hypervisor 运行在一个宿主机操作系统之上或者系统里面,Hypervisor 作为宿主机操作系统中的一个应用程序，客户机就是在宿主机操作系统上的一个进程

容器虚拟化实现

容器虚拟化实现原理

容器虚拟化，有别于主机虚拟化，是操作系统层的虚拟化。通过 namespace 进行各程序的隔离，加上 cgroups 进行资源的控制，以此来进行虚拟化

容器虚拟化基础之 NameSpace

namespace 是 Linux 内核用来隔离内核资源的方式。通过 namespace 可以让一些进程只能看到与自己相关的一部分资源，而另外一些进程也只能看到与它们自己相关的资源，这两拨进程根本就感觉不到对方的存在。具体的实现方式是把一个或多个进程的相关资源指定在同一个 namespace 中。

namespace	系统调用参数	被隔离的全局系统资源	引入内核版本
UTS	CLONE_NEWUTS	主机名和域名	2.6.19
IPC	CLONE_NEWIPC	信号量、消息队列和共享内存 ,进程间通信	2.6.19
PID	CLONE_NEWPID	进程编号	2.6.24
Network	CLONE_NEWNET	网络设备、网络栈、端口等	2.6.29
Mount	CLONE_NEWNS	文件系统挂载点	2.4.19
User	CLONE_NEWUSER	用户和用户组	3.8

namespace隔离实操

基础知识

dd命令

Linux dd 命令用于读取、转换并输出数据。 dd 可从标准输入或文件中读取数据，根据指定的格式来转换数据，再输出到文件、设 备或标准输出。

语法

dd OPTION

参数

• if=文件名：输入文件名，默认为标准输入。即指定源文件。
• of=文件名：输出文件名，默认为标准输出。即指定目的文件。
• ibs=bytes：一次读入 bytes 个字节，即指定一个块大小为 bytes 个字节。
• obs=bytes：一次输出 bytes 个字节，即指定一个块大小为 bytes 个字节。
• bs=bytes：同时设置读入/输出的块大小为 bytes 个字节。
• cbs=bytes：一次转换 bytes 个字节，即指定转换缓冲区大小。
• skip=blocks：从输入文件开头跳过 blocks 个块后再开始复制。
• seek=blocks：从输出文件开头跳过 blocks 个块后再开始复制。
• count=blocks：仅拷贝 blocks 个块，块大小等于 ibs 指定的字节数。
• conv=<关键字>，关键字可以有以下 11 种

• conversion：用指定的参数转换文件。
• ascii：转换 ebcdic 为 ascii
• ebcdic：转换 ascii 为 ebcdic
• ibm：转换 ascii 为 alternate ebcdic
• block：把每一行转换为长度为 cbs，不足部分用空格填充
• unblock：使每一行的长度都为 cbs，不足部分用空格填充
• lcase：把大写字符转换为小写字符
• ucase：把小写字符转换为大写字符
• swap：交换输入的每对字节
• noerror：出错时不停止
• notrunc：不截短输出文件
• sync：将每个输入块填充到 ibs 个字节，不足部分用空（NUL）字符补齐。

创建一个指定大小的空文件

小写转大写

mkfs 命令

用于在设备上创建 Linux 文件系统,俗称格式化，比如我们使用 U 盘的时候可以格式化。

语法

mkfs [-V] [-t fstype] [fs-options] filesys [blocks]

参数

-t fstype：指定要建立何种文件系统；如 ext3，ext4

filesys ：指定要创建的文件系统对应的设备文件名；
blocks：指定文件系统的磁盘块数。
-V : 详细显示模式
fs-options:传递给具体的文件系统的参数

例如 格式化镜像文件为 ext4

df 命令

Linux df（英文全拼：disk free） 命令用于显示目前在 Linux 系统上的文件系统磁盘使用情况统计。

语法

df [OPTION]... [FILE]...

参数

常见参数

• -a, --all 包含所有的具有 0 Blocks 的文件系统
• -h, --human-readable 使用人类可读的格式(预设值是不加这个选项的…)
• -H, --si 很像 -h, 但是用 1000 为单位而不是用 1024
• -t, --type=TYPE 限制列出文件系统的 TYPE
• -T, --print-type 显示文件系统的形式

mount 命令

mount 命令用于加载文件系统到指定的加载点。此命令的也常用于挂载光盘，使我们可以访问光盘中的数据，因为你将光盘插入光驱中，Linux 并不会自动挂载，必须使用Linux mount 命令来手动完成挂载。
Linux 系统下不同目录可以挂载不同分区和磁盘设备，它的目录和磁盘分区是分离的，可以自由组合(通过挂载)
不同的目录数据可以跨越不同的磁盘分区或者不同的磁盘设备

挂载的实质是为磁盘添加入口（挂载点）。

语法

mount [-l]
mount [-t vfstype] [-o options] device dir

参数

-l：显示已加载的文件系统列表；
-t: 加载文件系统类型支持常见系统类型的 ext3,ext4,iso9660,tmpfs,xfs 等,大部分情况可以不指定，mount 可以自己识别
-o options 主要用来描述设备或档案的挂接方式。
loop：用来把一个文件当成硬盘分区挂接上系统
ro：采用只读方式挂接设备
rw：采用读写方式挂接设备
device: 要挂接(mount)的设备。
dir: 挂载点的目录

unshare 命令

unshare 主要能力是使用与父程序不共享的名称空间运行程序。

语法

unshare [options] program [arguments]

参数

参数	含义
-i, --ipc	不共享 IPC 空间
-m, --mount	不共享 Mount 空间
-n, --net	不共享 Net 空间
-p, --pid	不共享 PID 空间
-u, --uts	不共享 UTS 空间
-U, --user	不共享用户
-V, --version	版本查看
–fork	执行 unshare 的进程 fork 一个新的子进程，在子进程里执行 unshare 传入的参数。
–mount-proc	执行子进程前，将 proc 优先挂载过去

不共享用户空间，这里相当于创建了一个子进程

另起一个会话

退出启动的子进程后，又回到宿主机的命名空间