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从零开始写 Docker(十四)---重构：实现容器间 rootfs 隔离

来源：网络 更新时间：2024-05-10 15:30:27

本文为从零开始写 Docker 系列第十四篇，实现容器间的 rootfs 隔离，使得多个容器间互不影响。

完整代码见： https://github.com/lixd/mydocker
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推荐阅读以下文章对 docker 基本实现有一个大致认识：

  • 核心原理 ： 深入理解 Docker 核心原理：Namespace、Cgroups 和 Rootfs
  • 基于 namespace 的视图隔离 ： 探索 Linux Namespace：Docker 隔离的神奇背后
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  • 基于 veth pair、bridge、iptables 等等技术的 Docker 网络 ： 揭秘 Docker 网络：手动实现 Docker 桥接网络

开发环境如下： 

root@mydocker:~# lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 20.04.2 LTS
Release:	20.04
Codename:	focal
root@mydocker:~# uname -r
5.4.0-74-generic

注意：需要使用 root 用户

1. 概述

虽然在前面通过 pivotRoot、overlayfs 实现了容器和宿主机的 rootfs 隔离，但是多个容器还是共用的一个rootfs，多容器之间会互相影响。

之前容器都是用的宿主机上的 /root/merged 目录作为自己的 rootfs，当启动多个容器时可写层会互相影响。

本篇通过为每个容器单独准备一个 rootfs 来实现隔离，使得我们多个容器之间互不影响。

2. 实现

为了实现该功能，需要做以下工作：

  • 修改 mydocker commit 命令，实现对不同容器进行打包镜像的功能。
  • 修改 mydocker run 命令，用户可以指定不同镜像，并为每个容器分配单独的隔离文件系统
    • 根据镜像名称找到对应 tar 文件，解压后作为overlay 中的 lower 目录进行挂载
  • 修改 mydocker rm 命令，删除容器时顺带删除文件系统

这三处调整实际上都是对宿主机上容器 rootfs 目录的调整，把 rootfs 从原来的 /root/merged 调整为 /var/lib/mydocker/overlay2/{containerID}/merged ，这样实现容器之间的隔离。

docker 也是使用的 var/lib/docker/overlay2/{containerID}/merged 目录作为 rootfs.可以使用 docker inspect {containerID} -f '{{json .GraphDriver}}' 命令查看。

2.1 commit 命令更新

之前 commit 命令直接把 /root/merged 目录压缩为 tar 作为镜像，现在需要根据 containerID 以 /var/lib/mydocker/overlay2/{containerID}/merged 格式来拼接目录。

首先，在 main_command.go 文件中修改 commitCommand，将用户输入参数改为 containerID 和 imageName,并调用 commitContainer 方法实现 commit 操作。 

var commitCommand = cli.Command{
	Name:  "commit",
	Usage: "commit container to image,e.g. mydocker commit 123456789 myimage",
	Action: func(context *cli.Context) error {
		if len(context.Args()) < 2 {
			return fmt.Errorf("missing container name and image name")
		}
		containerID := context.Args().Get(0)
		imageName := context.Args().Get(1)
		return commitContainer(containerID, imageName)
	},
}

然后 commitContainer 中调整一下压缩路径，根据 containerID 拼接要压缩的目录 

var ErrImageAlreadyExists = errors.New("Image Already Exists")

func commitContainer(containerID, imageName string) error {
	mntPath := utils.GetMerged(containerID)
	imageTar := utils.GetImage(imageName)
	exists, err := utils.PathExists(imageTar)
	if err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "check is image [%s/%s] exist failed", imageName, imageTar)
	}
	if exists {
		return ErrImageAlreadyExists
	}
	log.Infof("commitContainer imageTar:%s", imageTar)
	if _, err = exec.Command("tar", "-czf", imageTar, "-C", mntPath, ".").CombinedOutput(); err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "tar folder %s failed", mntPath)
	}
	return nil
}

2.2 run 命令更新， 实现隔离文件系统

run 命令改动比较大， 需要把涉及到目录的都进行调整。

改动点：

  • 1）runCommand 命令中添加 imageName 参数，让用户可以指定镜像启动容器
  • 2）启动容器时， rootfs 部分需要根据 containerID 拼接目录

runCommand

runCommand 命令中添加 imageName 作为第一个参数输入 

var runCommand = cli.Command{
	Action: func(context *cli.Context) error {
		// 省略其他内容
		// get image name
		imageName := cmdArray[0]
		cmdArray = cmdArray[1:]

		tty := context.Bool("it")
		detach := context.Bool("d")

		// Run方法增加对应参数
		Run(tty, cmdArray, resConf, volume, containerName, imageName)
		return nil
	},
}

相关方法都要增加 imageName 参数： 

func Run(tty bool, comArray []string, res *subsystems.ResourceConfig, volume, containerName, imageName string) {
	containerId := container.GenerateContainerID() // 生成 10 位容器 id

	// start container
	parent, writePipe := container.NewParentProcess(tty, volume, containerId, imageName)
	if parent == nil {
		log.Errorf("New parent process error")
		return
	}
	if err := parent.Start(); err != nil {
		log.Errorf("Run parent.Start err:%v", err)
		return
	}

	// record container info
	err := container.RecordContainerInfo(parent.Process.Pid, comArray, containerName, containerId)
	if err != nil {
		log.Errorf("Record container info error %v", err)
		return
	}

	// 创建cgroup manager, 并通过调用set和apply设置资源限制并使限制在容器上生效
	cgroupManager := cgroups.NewCgroupManager("mydocker-cgroup")
	defer cgroupManager.Destroy()
	_ = cgroupManager.Set(res)
	_ = cgroupManager.Apply(parent.Process.Pid, res)

	// 在子进程创建后才能通过pipe来发送参数
	sendInitCommand(comArray, writePipe)
	if tty { // 如果是tty，那么父进程等待，就是前台运行，否则就是跳过，实现后台运行
		_ = parent.Wait()
		container.DeleteWorkSpace(containerId, volume)
		container.DeleteContainerInfo(containerId)
	}
}

rootfs 相关调整

rootfs 相关目录定义成变量，并提供相应的 Get 方法，调用时指定 containerID 即可拿到对应目录。 

// 容器相关目录
const (
	ImagePath       = "/var/lib/mydocker/image/"
	RootPath        = "/var/lib/mydocker/overlay2/"
	lowerDirFormat  = RootPath + "%s/lower"
	upperDirFormat  = RootPath + "%s/upper"
	workDirFormat   = RootPath + "%s/work"
	mergedDirFormat = RootPath + "%s/merged"
	overlayFSFormat = "lowerdir=%s,upperdir=%s,workdir=%s"
)

func GetRoot(containerID string) string { return RootPath + containerID }

func GetImage(imageName string) string { return fmt.Sprintf("%s%s.tar", ImagePath, imageName) }

func GetLower(containerID string) string {
	return fmt.Sprintf(lowerDirFormat, containerID)
}

func GetUpper(containerID string) string {
	return fmt.Sprintf(upperDirFormat, containerID)
}

func GetWorker(containerID string) string {
	return fmt.Sprintf(workDirFormat, containerID)
}

func GetMerged(containerID string) string { return fmt.Sprintf(mergedDirFormat, containerID) }

func GetOverlayFSDirs(lower, upper, worker string) string {
	return fmt.Sprintf(overlayFSFormat, lower, upper, worker)
}

另外则是 NewWorkSpace 和 DeleteWorkSpace 这两个方法以及其内部的一系列方法涉及到的路径全改成动态的，根据 containerID 进行拼接：

这里贴一下 NewWorkSpace 和 DeleteWorkSpace 两个方法： 

// NewWorkSpace Create an Overlay2 filesystem as container root workspace
/*
1）创建lower层
2）创建upper、worker层
3）创建merged目录并挂载overlayFS
4）如果有指定volume则挂载volume
*/
func NewWorkSpace(volume, imageName, containerName string) {
	err := createLower(imageName)
	if err != nil {
		log.Errorf("createLower err:%v", err)
		return
	}
	err = createUpperWorker(containerName)
	if err != nil {
		log.Errorf("createUpperWorker err:%v", err)
		return
	}
	err = mountOverlayFS(containerName)
	if err != nil {
		log.Errorf("mountOverlayFS err:%v", err)
		return
	}
	if volume != "" {
		volumeURLs := volumeUrlExtract(volume)
		if len(volumeURLs) == 2 && volumeURLs[0] != "" && volumeURLs[1] != "" {
			err = mountVolume(containerName, volumeURLs)
			if err != nil {
				log.Errorf("mountVolume err:%v", err)
				return
			}
		} else {
			log.Infof("volume parameter input is not correct.")
		}
	}
}

// DeleteWorkSpace Delete the OverlayFS filesystem while container exit
/*
和创建相反
1）有volume则卸载volume
2）卸载并移除merged目录
3）卸载并移除upper、worker层
*/
func DeleteWorkSpace(volume, containerName string) error {
	// 如果指定了volume则需要先umount volume
	if volume != "" {
		volumeURLs := volumeUrlExtract(volume)
		length := len(volumeURLs)
		if length == 2 && volumeURLs[0] != "" && volumeURLs[1] != "" {
			err := umountVolume(containerName, volumeURLs)
			if err != nil {
				return errors.Wrap(err, "umountVolume")
			}
		}
	}
	// 然后umount整个容器的挂载点
	err := umountOverlayFS(containerName)
	if err != nil {
		return errors.Wrap(err, "umountOverlayFS")
	}
	// 最后移除相关文件夹
	err = removeUpperWorker(containerName)
	if err != nil {
		return errors.Wrap(err, "removeUpperWorker")
	}
	return nil
}

至此，基本改动完成了，创建出的每个容器都会单独在 /var/lib/mydocker/overlay2/ 目录下生成一个 rootfs 目录，这样就避免了多个容器之间互相影响。

2.3 更新 rm 命令

之前，由于对应的文件系统因为是共用的，所以没有删除， rm 命令只把容器信息删了，这次对 rm 命令进行调整，删除时也把文件系统删了。 

func removeContainer(containerId string, force bool) {
	containerInfo, err := getInfoByContainerId(containerId)
	if err != nil {
		log.Errorf("Get container %s info error %v", containerId, err)
		return
	}

	switch containerInfo.Status {
	case container.STOP: // STOP 状态容器直接删除即可
		// 先删除配置目录，再删除rootfs 目录
		if err = container.DeleteContainerInfo(containerId); err != nil {
			log.Errorf("Remove container [%s]'s config failed, detail: %v", containerId, err)
			return
		}
		container.DeleteWorkSpace(containerId, containerInfo.Volume)
	case container.RUNNING: // RUNNING 状态容器如果指定了 force 则先 stop 然后再删除
		if !force {
			log.Errorf("Couldn't remove running container [%s], Stop the container before attempting removal or"+
				" force remove", containerId)
			return
		}
		log.Infof("force delete running container [%s]", containerId)
		stopContainer(containerId)
		removeContainer(containerId, force)
	default:
		log.Errorf("Couldn't remove container,invalid status %s", containerInfo.Status)
		return
	}
}

增加了下面这一句： 

container.DeleteWorkSpace(containerId, containerInfo.Volume)

3. 测试

rootfs 调整

用 busybox.tar 镜像启动一个容器，然后查看 /var/lib/mydocker/overlay2/ 目录下是否生成对应内容。

首先在 /var/lib/mydocker/image/ 目录准备好镜像 

root@mydocker:~# mv busybox.tar /var/lib/mydocker/image/

然后使用该镜像启动容器 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# go build .
root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker run -d -name rootfs busybox top
{"level":"info","msg":"createTty false","time":"2024-02-22T13:34:12+08:00"}
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-02-22T13:34:12+08:00"}
{"level":"info","msg":"lower:/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332/lower image.tar:/var/lib/mydocker/image/busybox.tar","time":"2024-02-22T13:34:12+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332/lower,upperdir=/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332/upper,workdir=/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332/work /var/lib/mydocker/overlay2/5341624332/merged]","time":"2024-02-22T13:34:12+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is top","time":"2024-02-22T13:34:12+08:00"}

查看容器 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker ps
ID           NAME        PID         STATUS      COMMAND     CREATED
5341624332   rootfs      219016      running     top         2024-02-22 13:34:12

查看 /var/lib/mydocker/overlay2 目录下是否生成对应内容 

root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2# cd /var/lib/mydocker/overlay2/5341624332
root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332# ls
lower  merged  upper  work
root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332# ls lower
bin  dev  etc  home  proc  root  sys  tmp  usr  var
root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332# ls merged/
bin  dev  etc  home  proc  root  sys  tmp  usr  var

可以看到,在 /var/lib/mydocker/overlay2/{containerID} 目录下生成了，lower、merged、upper、work 等 overlay2 目录。

其中 lower 中的内容由镜像解压得到，merged 则是容器 rootfs 挂载点。

然后进入容器创建文件 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker exec 5341624332 /bin/sh
{"level":"info","msg":"container pid：219016 command：/bin/sh","time":"2024-02-22T13:37:42+08:00"}
got mydocker_pid=219016
got mydocker_cmd=/bin/sh
/ # echo KubeExplorer > a.txt
/ # cat a.txt
KubeExplorer

接着到对应 merged 目录查看文件是否存在 

root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332# ls merged/
a.txt  bin  dev  etc  home  proc  root  sys  tmp  usr  var
root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332# cat merged/a.txt
KubeExplorer

至此，说明 rootfs 调整一切正常。

commit 命令

接下来测试一下 mydocker commit 命令,把刚才启动的容器提交为镜像。 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker ps
ID           NAME        PID         STATUS      COMMAND     CREATED
5341624332   rootfs      219016      running     top         2024-02-22 13:34:12
root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker commit 5341624332 busybox-with-custom
{"level":"info","msg":"commitContainer imageTar:/var/lib/mydocker/image/busybox-with-custom.tar","time":"2024-02-22T13:43:33+08:00"}

然后查看 var/lib/mydocker/image/ 目录是否生成了对应的镜像文件 

root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2/5341624332# cd /var/lib/mydocker/image/
root@mydocker:/var/lib/mydocker/image# ls
busybox-with-custom.tar  busybox.tar

busybox-with-custom.tar 就是 commit 命令生成的镜像。

接下来使用该镜像启动一个容器，查看之前创建的文件是否存在 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker run -d -name rootfs2 busybox-with-custom top
{"level":"info","msg":"createTty false","time":"2024-02-22T13:45:53+08:00"}
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-02-22T13:45:53+08:00"}
{"level":"info","msg":"lower:/var/lib/mydocker/overlay2/8118341786/lower image.tar:/var/lib/mydocker/image/busybox-with-custom.tar","time":"2024-02-22T13:45:53+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/var/lib/mydocker/overlay2/8118341786/lower,upperdir=/var/lib/mydocker/overlay2/8118341786/upper,workdir=/var/lib/mydocker/overlay2/8118341786/work /var/lib/mydocker/overlay2/8118341786/merged]","time":"2024-02-22T13:45:53+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is top","time":"2024-02-22T13:45:53+08:00"}

进入容器查看内容 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker ps
ID           NAME        PID         STATUS      COMMAND     CREATED
5341624332   rootfs      219016      running     top         2024-02-22 13:34:12
8118341786   rootfs2     219109      running     top         2024-02-22 13:45:53
root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker exec 8118341786 /bin/sh
{"level":"info","msg":"container pid：219109 command：/bin/sh","time":"2024-02-22T13:46:14+08:00"}
got mydocker_pid=219109
got mydocker_cmd=/bin/sh
/ # cat a.txt
KubeExplorer

可以看到，提交的镜像中包含了我们新建的 a.txt 文件，说明 commit 命令也是正常的。

rm 命令

最后测试一下 mydocker rm 命令，能否删除镜像配置和对应的 rootfs 目录。

ps 命令拿到 id 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker ps
ID           NAME        PID         STATUS      COMMAND     CREATED
5341624332   rootfs      219016      running     top         2024-02-22 13:34:12
8118341786   rootfs2     219109      running     top         2024-02-22 13:45:53

根据 id 删除容器 

root@mydocker:~/refactor-isolate-rootfs/mydocker# ./mydocker rm 5341624332 -f
{"level":"info","msg":"force delete running container [5341624332]","time":"2024-02-22T13:47:36+08:00"}
{"level":"info","msg":"umountOverlayFS,cmd:/usr/bin/umount /var/lib/mydocker/overlay2/5341624332/merged","time":"2024-02-22T13:47:36+08:00"}

查看一下 /var/lib/mydocker/overlay2 中的 rootfs 目录是否删除 

cd /var/lib/mydocker/overlay2
root@mydocker:/var/lib/mydocker/overlay2# ls

可以看到，容器相关目录都被移除了。

4. 小结

本小节主要完善了容器的文件系统，在 /var/lib/mydocker/overlay2/ 目录下为每个容器单独分配一个 rootfs，避免了多容器之间互相影响。

【从零开始写 Docker 系列】 持续更新中，搜索公众号【 探索云原生 】订阅，阅读更多文章。

完整代码见： https://github.com/lixd/mydocker
欢迎关注~

相关代码见 refactor-isolate-rootfs 分支,测试脚本如下：

需要提前在 /var/lib/mydocker/image 目录准备好 busybox.tar 文件，具体见第四篇第二节。 

# 克隆代码
git clone -b refactor-isolate-rootfs https://github.com/lixd/mydocker.git
cd mydocker
# 拉取依赖并编译
go mod tidy
go build .
# 测试 
./mydocker run -d -name c1 busybox top
# 查看容器 Id
./mydocker ps
# stop 停止指定容器
./mydocker rm ${containerId} -f

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