好的，各位未来的Docker大侠们，欢迎来到今天的“Docker容器的资源隔离：Namespace与Cgroups基础”专题讲座！ 准备好你们的键盘和咖啡，让我们一起踏上这趟神奇的旅程，揭开Docker容器资源隔离的神秘面纱。
引子：想象一下，你的电脑是个豪华公寓
设想一下，你的电脑是一栋豪华公寓。每个房间代表一个独立的应用程序。如果没有有效的管理，住户们（应用程序们）可能会互相干扰：
- 隔壁老王（某个进程）疯狂占用带宽，导致你（另一个进程）看视频卡成PPT。
- 楼上的小红（某个进程）不小心把文件删除了，你（另一个进程）的文件也被牵连。
这简直是噩梦！Docker容器就像是在这栋豪华公寓里，为每个应用程序建造了一个独立的房间，并且配备了强有力的保安系统，保证每个房间的住户“老死不相往来”，和平共处。而Namespace和Cgroups，就是这个保安系统的核心。
第一章：Namespace – 容器的“独立王国”
Namespace，你可以把它想象成一个“独立王国”。它为每个容器创建了一个隔离的环境，让容器里的进程感觉自己仿佛身处一个独立的操作系统中。
1.1 什么是Namespace？
Namespace是Linux内核提供的一种隔离机制，它可以隔离以下资源：
| Namespace 类型 | 隔离的资源 | 备注 |
|---|---|---|
| PID | 进程ID | 每个容器都有自己的PID空间，容器里的进程从PID 1开始。 |
| Network | 网络设备、IP地址、端口等 | 每个容器都有自己的网络栈，可以拥有独立的IP地址和端口，与其他容器互不干扰。 |
| Mount | 文件系统挂载点 | 每个容器都可以拥有自己的文件系统，可以挂载不同的目录，对宿主机的文件系统没有任何影响。 |
| UTS | 主机名和域名 | 每个容器都可以拥有自己的主机名和域名，与其他容器互不干扰。 |
| IPC | 进程间通信资源（信号量、消息队列、共享内存） | 每个容器都拥有独立的IPC资源，可以避免进程间通信的冲突。 |
| User | 用户ID和组ID | 每个容器可以拥有独立的用户和组，从而实现用户级别的隔离。 |
1.2 Namespace是如何工作的？
当创建一个新的容器时，Docker会利用Linux Namespace API来创建一个新的Namespace集合。每个Namespace都包含了上面表格中的资源。这意味着容器里的进程看到的PID、网络设备、文件系统等等，都与宿主机和其他容器隔离。
举个栗子🌰：PID Namespace
假设我们有两个容器：container_A和container_B。
- 在宿主机上，运行
ps aux命令，可以看到所有的进程，包括宿主机的进程以及container_A和container_B中的进程。 - 进入container_A，运行
ps aux命令，只能看到container_A中的进程，并且container_A中的第一个进程的PID是1。 - 进入container_B，运行
ps aux命令，只能看到container_B中的进程，并且container_B中的第一个进程的PID也是1。
这说明container_A和container_B拥有独立的PID Namespace，它们各自认为自己是独立的操作系统。
1.3 Namespace的创建和使用
可以使用unshare命令来创建和使用Namespace。例如，创建一个新的PID Namespace并运行bash：
sudo unshare -p bash这条命令会创建一个新的PID Namespace，并在该Namespace中运行bash。在新bash中运行ps aux命令，会发现只能看到当前bash进程。
第二章：Cgroups – 资源分配的“精打细算”
有了独立的“王国”（Namespace），还需要一个强大的“财政大臣”（Cgroups）来管理资源，确保每个容器都得到公平的资源分配，防止“资源大户”占用过多资源，影响其他容器的运行。
2.1 什么是Cgroups？
Cgroups（Control Groups）是Linux内核提供的一种资源管理机制，它可以限制、控制和隔离进程组（process groups）的资源使用。
2.2 Cgroups可以控制哪些资源？
Cgroups可以控制以下资源：
| Cgroup 子系统 | 控制的资源 | 备注 |
|---|---|---|
| cpu | CPU使用率 | 限制进程组的CPU使用时间，例如允许进程组使用50%的CPU资源。 |
| cpuacct | CPU使用统计 | 统计进程组的CPU使用情况，例如CPU使用时间、用户态CPU时间、内核态CPU时间等。 |
| memory | 内存使用量 | 限制进程组的内存使用量，例如允许进程组使用1GB的内存。 |
| blkio | 块设备I/O | 限制进程组的块设备I/O，例如磁盘I/O。 |
| devices | 设备访问 | 控制进程组对设备的访问权限，例如允许进程组访问特定的设备。 |
| freezer | 进程冻结 | 可以暂停和恢复进程组的运行。 |
| net_cls | 网络流量分类 | 可以对进程组的网络流量进行分类，例如根据不同的服务质量（QoS）进行流量控制。 |
| net_prio | 网络流量优先级 | 可以设置进程组的网络流量优先级，例如保证关键服务的网络流量优先传输。 |
| hugetlb | 大页内存 | 可以限制进程组的大页内存使用量。 |
2.3 Cgroups是如何工作的？
Cgroups使用一种树状的结构来组织进程组。每个节点被称为一个cgroup。可以通过创建新的cgroup，并将进程添加到cgroup中，来控制进程的资源使用。
举个栗子🌰：限制CPU使用率
假设我们想限制container_C的CPU使用率为20%。
-
创建Cgroup：
sudo cgcreate -g cpu:/container_c -
设置CPU配额：
sudo cgset -r cpu.cfs_period_us=100000 -r cpu.cfs_quota_us=20000 container_ccpu.cfs_period_us：表示CPU时间片的周期，单位是微秒。这里设置为100000微秒（0.1秒）。cpu.cfs_quota_us：表示进程组在一个周期内可以使用的CPU时间，单位是微秒。这里设置为20000微秒（0.02秒）。这意味着container_C在一个0.1秒的周期内最多可以使用0.02秒的CPU时间，即20%的CPU使用率。
-
将进程添加到Cgroup：
sudo cgclassify -g cpu:/container_c <pid_of_container_c_process>将container_C的主进程的PID添加到container_c这个cgroup中。
2.4 Cgroups的层级结构
Cgroups使用层级结构，这意味着可以创建嵌套的Cgroups。例如，可以创建一个名为parent_cgroup的Cgroup，然后在parent_cgroup下创建两个子Cgroup：child_cgroup_1和child_cgroup_2。这样可以对资源进行更细粒度的控制。
第三章：Namespace + Cgroups = Docker容器的基石
Namespace负责隔离，Cgroups负责资源管理。两者结合，共同构成了Docker容器的基石。
3.1 Docker如何使用Namespace和Cgroups？
当运行docker run命令创建一个新的容器时，Docker会：
- 创建Namespace： 为容器创建PID、Network、Mount、UTS、IPC和User Namespace，从而实现容器的隔离。
- 创建Cgroups： 创建Cgroups，并根据用户指定的资源限制（例如
-m参数限制内存，-c参数限制CPU），设置Cgroups的参数，并将容器的进程添加到相应的Cgroups中。
3.2 为什么Namespace和Cgroups如此重要？
- 资源隔离： 保证容器之间的资源互不干扰，提高系统的稳定性和安全性。
- 资源限制： 避免某个容器占用过多资源，影响其他容器的运行。
- 资源利用率： 可以更有效地利用系统资源，提高资源利用率。
第四章：深入探讨：一些高级话题
4.1 User Namespace：安全性的提升
User Namespace可以将容器内的用户ID映射到宿主机上的非特权用户ID。这意味着即使容器内的进程以root用户身份运行，在宿主机上仍然以非特权用户身份运行，从而降低了安全风险。
4.2 Cgroups v2：未来的趋势
Cgroups v2是Cgroups的下一代版本，它提供了更统一、更灵活的资源管理接口。Cgroups v2简化了Cgroups的配置，并提供了更好的性能和可扩展性。
第五章：总结与展望
今天我们一起学习了Docker容器资源隔离的核心技术：Namespace和Cgroups。Namespace负责隔离，Cgroups负责资源管理。两者结合，构成了Docker容器的基石。
希望通过今天的讲解，大家对Docker容器的资源隔离有了更深入的了解。 掌握了Namespace和Cgroups，就掌握了Docker容器的“灵魂”，就可以更好地理解和使用Docker，打造更稳定、更高效的应用程序！
最后的彩蛋：一些实用的技巧和建议
- 监控容器的资源使用情况： 使用
docker stats命令可以监控容器的CPU、内存、网络I/O和磁盘I/O使用情况。 - 合理设置资源限制： 根据应用程序的需求，合理设置容器的资源限制，避免资源浪费或资源不足。
- 学习Cgroups v2： 关注Cgroups v2的发展，并尝试在新的项目中使用Cgroups v2。
感谢大家的聆听！ 希望今天的讲座对大家有所帮助。 让我们一起在Docker的世界里，乘风破浪，勇往直前！🚀