Linux 容器

Linux 容器（Linux Containers, LXC）是一种轻量级的虚拟化技术，通过使用 Linux 内核功能（如命名空间和控制组）实现应用程序的隔离、资源控制和高效运行。与传统虚拟机相比，容器不需要虚拟化整个操作系统，因而具有更高的性能和更低的资源开销。

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Linux 容器的核心原理

Linux 容器的实现依赖以下几个关键技术：

1. Namespace（命名空间）

• 命名空间提供了进程级别的隔离，容器中的进程认为自己运行在独立的环境中。
• 主要命名空间：
  • PID（进程 ID）命名空间：
    • 隔离进程 ID，容器内的进程只能看到自身的 PID。
  • NET（网络）命名空间：
    • 每个容器拥有独立的网络栈，包括接口、IP 地址、路由表等。
  • IPC（进程间通信）命名空间：
    • 隔离 System V IPC 和 POSIX 消息队列。
  • UTS（主机名和域名）命名空间：
    • 容器可以设置自己的主机名和域名。
  • MNT（挂载点）命名空间：
    • 隔离文件系统的挂载点，容器可以有自己的文件系统视图。
  • USER（用户）命名空间：
    • 提供用户 ID 和组 ID 的隔离。

2. Cgroups（控制组）

• Cgroups 用于限制、记录和隔离容器对系统资源的使用。
• 主要控制资源：
  • CPU：限制 CPU 时间的使用。
  • 内存：设置内存使用上限，防止内存溢出。
  • 磁盘 I/O：控制容器的磁盘读写速率。
  • 网络带宽：限制容器的网络使用。

3. Chroot 和 Mount

• Chroot：改变进程的根目录，使容器内的进程只能访问自己的文件系统。
• Mount 命名空间：为每个容器创建独立的文件系统视图。

4. UnionFS（联合文件系统）

• 容器镜像的文件系统通常基于联合文件系统实现，支持分层结构。
• 常见的 UnionFS 实现：
  • AUFS：一种早期的联合文件系统。
  • OverlayFS：轻量级、性能高的联合文件系统。
• 分层镜像结构：
  • 只读层：基础镜像。
  • 读写层：容器运行时的更改存储。

5. Seccomp、AppArmor、SELinux

• 提供容器的安全隔离：
  • Seccomp：限制系统调用的种类。
  • AppArmor 和 SELinux：强制访问控制（MAC），限制容器访问主机资源的权限。

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Linux 容器的架构

1. 核心组件

• Container Runtime（容器运行时）：
  • 执行容器的创建和管理。
  • 示例：runc 是 OCI 标准的容器运行时实现。
• Container Engine（容器引擎）：
  • 管理镜像、容器、网络等功能。
  • 示例：Docker、containerd、CRI-O。
• Kernel Features（内核功能）：
  • 依赖 Linux 内核的 Namespace、Cgroups 等功能实现隔离和资源控制。

2. 容器生命周期管理

• 创建：
  • 基于镜像生成容器文件系统。
  • 分配命名空间、Cgroups。
• 运行：
  • 启动容器进程，绑定资源限制和网络配置。
• 停止：
  • 终止容器进程，释放资源。
• 删除：
  • 清理容器的文件系统和配置。

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Linux 容器的优缺点

优点

1. 轻量级：
   • 容器直接使用主机内核，不需要虚拟化整个操作系统。
   • 启动时间快，资源消耗低。
2. 灵活性：
   • 容器之间互相独立，可在开发、测试、生产环境快速迁移。
3. 高性能：
   • 与虚拟机相比，容器几乎没有性能损失。
4. 易于扩展：
   • 支持大规模分布式部署。

缺点

1. 隔离性弱于虚拟机：
   • 由于共享内核，容器无法完全隔离主机。
2. 依赖内核版本：
   • 不同主机的内核差异可能影响容器的运行。
3. 安全性：
   • 如果容器被攻破，可能影响整个主机。

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Linux 容器使用场景

1. 微服务架构：
   • 每个服务运行在独立的容器中，便于扩展和部署。
2. CI/CD 流程：
   • 快速启动和销毁容器，提高持续集成效率。
3. 开发与测试：
   • 提供一致的环境，避免“在我机器上可以跑”的问题。
4. 资源隔离：
   • 在多租户场景下隔离资源，确保服务稳定性。
5. 分布式计算：
   • 容器作为分布式集群的计算单元，灵活调度。

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Linux 容器 vs 虚拟机

特性	Linux 容器	虚拟机
隔离性	使用内核命名空间，隔离较弱	完整隔离，安全性更高
启动时间	秒级	分钟级
资源开销	低（共享内核）	高（需要完整的 OS）
性能	接近原生性能	有一定性能损失
管理	简单（镜像、容器）	较复杂（虚拟硬件、镜像）
适用场景	微服务、轻量级部署	高安全性、复杂应用环境

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示例：使用 Linux 容器

运行一个容器

docker run -it ubuntu:latest /bin/bash

• 使用 docker 作为容器引擎，启动一个基于 Ubuntu 镜像的容器。

查看命名空间

lsns

• 显示系统中的命名空间，验证容器的隔离性。

设置资源限制

docker run -it --memory="512m" --cpus="1.0" ubuntu:latest /bin/bash

• 使用 Docker 设置容器的内存和 CPU 限制。

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总结

Linux 容器通过 Namespace 和 Cgroups 提供进程隔离和资源控制，结合 UnionFS 实现了轻量级虚拟化。它适合现代云原生架构中的微服务、分布式计算和 DevOps 流程。通过进一步与工具如 Kubernetes 集成，容器技术已成为现代 IT 基础设施的核心组件。