Docker 核心原理详解：Namespaces 与 Cgroups 如何实现资源隔离与限制

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Docker 作为容器化技术的代名词，彻底改变了软件的开发、部署和管理方式。它凭借其轻量、快速、一致性强的特性，成为了现代云原生架构的基石。然而，Docker 容器的神奇之处并非“无中生有”，其背后是 Linux 内核的两大核心技术——Namespaces（命名空间） 和 Cgroups（控制组）。正是这两项技术，共同构筑了 Docker 容器的强大隔离性和资源限制能力。

本文将深入浅出地解析 Namespaces 和 Cgroups 的工作原理，揭示 Docker 容器是如何在共享宿主机内核的情况下，实现“看似独立”的运行环境，并对其资源进行精确控制的。

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一、容器化技术与虚拟化的本质区别

在深入了解 Docker 的底层原理之前，我们有必要区分容器化与传统的虚拟化技术。

A. 虚拟机 (Virtual Machines)

• 概念： 虚拟机通过Hypervisor（管理程序）在物理硬件之上模拟出一个完整的计算机系统（包括CPU、内存、磁盘、网卡等），每个虚拟机都运行一个独立的客户操作系统（Guest OS）内核。
• 优点： 隔离性非常强，能够运行不同的操作系统，拥有完整的操作系统功能。
• 缺点： 资源开销大（每个VM都需要独立的OS内核和其运行所需的资源），启动速度慢。
  

B. 容器 (Containers)

• 概念： 容器是基于宿主机（Host OS）的操作系统内核运行的。它共享宿主机的内核，但在用户空间提供了进程级别的隔离。容器内部只包含应用程序及其运行所需的环境（库、运行时、配置文件等）。
• 优点： 轻量级、启动速度快（秒级甚至毫秒级），资源利用率高。
• 缺点： 隔离性相对VM稍弱（共享内核），无法运行不同于宿主机的操作系统。

容器化与虚拟化比较图 (概念示意)

• 虚拟机： 硬件 -> Hypervisor -> 客户操作系统A -> 应用A / 客户操作系统B -> 应用B
• 容器： 硬件 -> 宿主机操作系统内核 -> Docker Engine -> 容器A (应用A+依赖) / 容器B (应用B+依赖)

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二、Namespaces：隔离的基石

Namespaces 是 Linux 内核的一项功能，它能够将全局的系统资源进行分区，使得每个进程组（即一个 Namespace）只能看到和使用自己所属的资源视图，而不能看到或影响其他 Namespace 中的资源。通过 Namespaces，Docker 为每个容器创建了一个“看似独立”的运行环境。

A. 什么是 Namespaces？

Namespaces 的核心思想是隔离。它为不同进程提供独立的系统资源视图。例如，在一个 PID Namespace 中的进程，看到的进程 ID 空间是独立的，它只知道自己 Namespace 内的进程，并不知道其他 Namespace 中的进程。

B. 常见的 Namespaces 类型及作用

1. PID Namespace (进程 ID 命名空间)：

   • 作用： 隔离进程 ID 空间。每个 PID Namespace 都有自己独立的进程 ID 编号系统，即每个 Namespace 都有一个 PID 为 1 的进程（通常是容器的启动进程）。
   • 表现： 容器内 ps -ef 命令看到的 PID 与宿主机上的 PID 是不同的