🌈 一、虚拟化、容器化
⭐ 1. 什么是虚拟化、容器化
- 物理机：真实存在的服务器 / 计算机，对于虚拟机来说，物理机为虚拟机提供了硬件环境。
- 虚拟化：通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为 1 ~ n 台逻辑计算机。在一台计算机中可以运行多个虚拟机，且每个虚拟机可以运行不同的 OS，在每台虚拟机中运行的应用程序相互独立。（平时买的 1 核 2 G、2 核 4 G 这些云服务器，就是从服务器上切割出这些资源来虚拟给用户的）。
- 容器化：虚拟化技术中的一种，也被称为操作系统虚拟化。该技术能够将 OS 的内核虚拟化，可允许用户空间软件实例呗分割成几个独立的单元，来在内核中运行，而不是只有一个单一实例运行。这个软件实例，也被称作是一个容器。Docker 是现今容器技术的事实标准。
⭐ 2. 为什么需要虚拟化、容器化
1. 沙箱安全
- 应用程序不会直接运行在服务器上。通常来说，一个公司的服务器上会跑很多的应用程序，一个应用挂掉了，还需要别的应用能够运行。如果服务器因为一个应用导致整个主机挂掉了（因为就一个 OS），那这个公司所有运行在该主机上的应用也会跟着挂掉，这是不被允许的。
- 而使用了虚拟化、容器化技术之后，让每个应用程序都单独运行在各自的盒子中，即使一个虚拟环境中的系统被在它里面运行的程序搞挂掉了，也不会影响在其他虚拟环境中运行的程序。
2. 分离运行环境
- 很多软件需要的依赖环境是不同的，有的软件在 A 环境上运行不了，而有的软件又只能用 B 环境。
- 使用虚拟化、容器化技术就可以的为每个应用配置它们所需要的环境，不需要再用额外的手段来进行管理。
🌈 二、虚拟化的实现方式
⭐ 1. 应用程序的执行环境分层
| 层级 | 层名 | 示例 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 4 | 应用程序层 | 抖音、Facebook、YouTube 等 | |
| 3 | 函数库层 | 如 stdio.h | 提供数据结构定义及函数调用接口 |
| 2 | 操作系统（OS）层 | Linux、Windows、iOS 等 | 提供系统调用接口、管理硬件资源 |
| 1 | 硬件层 | 物理机 | 提供硬件抽象，其中包括指令集架构、硬件设备及硬件访问接口 |
⭐ 2. 虚拟化的常见分类
1. 虚拟机
- 存在于硬件层和 OS 层之间的虚拟化技术。虚拟机通过 “伪造” 一个硬件抽象接口，将一个 OS 以及 OS 层以上的层嫁接到硬件上，实现和真实物理机几乎一样的功能。
- 例：在一台装着 Windows 系统的电脑上使用装着 Android 系统的虚拟机，就可以在这台电脑上打开只能在 Android 系统上才能打开的应用。
2. 容器
- 存在于 OS 层和函数库层之间的虚拟化技术。容器通过 “伪造” OS 的接口，将函数库层以上的功能置于 OS 上。
- 例：Docker 就是一个基于 Linux 的 Namespace 和 Cgroup 功能实现隔离容器，可以模拟操作系统的功能。
- 如果虚拟机是通过将整个 OS 进行封装隔离，来实现跨平台应用的话，容器就是将一个个应用进行单独封装隔离，来实现跨平台应用。
3. JVM 之类的虚拟机
- 存在于函数库层和应用程序层之间的虚拟化技术。通过伪造函数库层和应用程序层的接口。
- 对于接口进行了差异，运行在 Windows 上的应用就调用 Windows 的接口，运行在其他 OS 上的则同理。
⭐ 3. 主机的虚拟化实现（虚拟机）
- 通过在物理服务器上安装一个虚拟化层来实现主机的虚拟化。虚拟化层可以在物理服务器和客户操作系统之间来建立虚拟机，让它们可以独立运行。
- 从软件框架的角度看，虚拟化可以分为 Type1（虚拟化层位于硬件上）和 Type2（虚拟化层位于 OS 上）两种。
0. Hypervisor 介绍
- Hypervisor 是一种系统软件，充当着计算机和虚拟机之间的中介，负责有效的分配和利用由各个虚拟机使用的硬件资源，这些虚拟机会在物理机上单独工作，Hypervisor 也被称为虚拟机管理器。
- 例1：假设虚拟机想要 2G 内存、2 核 CPU、50G 硬盘，和 Hypervisor 说了之后，就能为虚拟机将这些资源虚拟化（模拟）出来。
- 例2：如果为虚拟机虚拟出了一个 Ubuntu 的操作系统，对于这个操作系统的启动、暂停、删除等管理操作也由 Hypervisor 来完成。
1. Type1 虚拟化
- Type1 的 Hypervisor 直接在硬件上运行，没有宿主机操作系统。
- Type1 的 Hypervisor 直接控制硬件资源和客户机，典型框架有 Xen、Vmware、ESX。
2. Type2 虚拟化
- Type1 的 Hypervisor 运行在一个宿主机操作系统上（Vmware Workstation）或者系统里面。
- Hypervisor 作为宿主机操作系统种的一个应用，客户机就是在宿主机操作系统上的一个进程。
⭐ 4. 容器的虚拟化实现
- 容器虚拟化，是位于操作系统层的虚拟化。
- 通过
namespace进行各程序的隔离，再加上cgroups对资源进行控制，从而实现容器的虚拟化。
🌙 4.1 NameSpace
- namespace 是 Linux 内核用来隔离内核资源的方式。通过 namespace 可以让进程只能看到和自己有关的那部分资源，而感知不到其他进程的存在。
| namespace | 系统调用参数 | 被隔离的全局系统资源 | 引入的内核版本 | 在容器环境下的隔离效果 |
|---|---|---|---|---|
| UTS | CLONE_NEWUTS | 主机名和域名 | 2.6.19 | 每个容器能看到自己的 hostname，拥有独立的主机名和域名 |
| IPC | CLONE_NEWIPC | 信号量、消息队列、共享内存 | 2.6.19 | 同一个 IPC namespace 的进程之间能互相通讯，不同的 IPC namespace 之间不能通信 |
| PID | CLONE_NEWPID | 进程编号 | 2.6.24 | 每个 PID namespace 中的进程可以有其独立的 PID，每个容器可以有其 PID 为 1 的 root 进程 |
| Network | CLONE_NEWNET | 网络设备、网络栈、端口等 | 2.6.29 | 每个容器用有其独立的网络设备，IP 地址，IP 路由表，/proc/net 目录，端口号 |
| Mount | CLONE_NEWNS | 文件系统挂载点 | 2.4.19 | 每个容器能看到不同的文件系统层次结构 |
| User | CLONE_NEWUSER | 用户和用户组 | 3.8 | 每个容器可有有不同的 user 和 group id |
🌙 4.2 cgroups
1. 什么是 cgroups
-
cgroups（Control Groups）是 Linux 内核提供的一种机制，这种机制可以根据需求将一系列系统任何及其子任务整合 / 分隔到按资源来划分等级的不同组内，从而为系统资源的管理提供一个统一的框架。
- 说人话就是，将进程按照被限制的资源来进行分组。假设现在有一个 2G 内存组，被分到这个组内的进程就都只能占 2G 的内存。
-
cgroups 可以限制、记录任务组所使用的物理资源。
2. 为什么使用 cgroups
- cgroups 可以对 CPU、内存等资源实现精细化的控制。
- 轻量级容器 Docker 就使用率 cgroups 提供的资源限制能力来完成对 CPU、内存等部分的资源控制。
- 例：在某个 8 核服务器上部署了一个 web 服务和一个后端计算模块，可以使用 cgroups 来让 web 服务使用 6 核，让后端计算模块使用 2 核。
🌙 4.3 Linux 容器 - LXX
- LXC 是一种操作系统虚拟化技术，是 Linux 内核容器功能的一个用户空间接口。
- LXC 可以将应用软件系统打包成一个软件容器（Container），该容器内包含了应用软件本身的代码，以及所需要的操作系统核心和库。
- Docker 是 LXC 的增强版。
🌈 三、Docker 是什么
⭐ 1. Docker 的本质
- Docker 本质上是 LXC 的增强版，它本身不是容器（容器是 Linux 内核中的技术），而是容器的易用工具。
- Docker 的主要目标是通过对组件的封装、分发、部署、运行等生命周期的管理，使用户的应用及其运行环境可以做到一次封装、到处运行。
⭐ 2. Docker 和虚拟机的区别
| 传统虚拟机 | Docker 容器 | |
|---|---|---|
| 磁盘占用 | 几 GB ~ 几十 GB | 几十 MB ~ 几百 MB |
| CPU 和内存占用 | 虚拟操作系统很占 CPU 和内存，需要通过虚拟层调用，占用率高 | 直接作用于硬件资源，占用少 |
| 启动速度 | 几分钟（从开机到运行项目） | 几秒钟（从开启容器到运行项目） |
| 安装管理 | 要专门的运维技术 | 安装、管理方便 |
| 应用部署 | 手动部署、速度慢 | 可以自动化部署、速度快 |
| 隔离性 | 系统级别 | 进程级别 |
| 封装程度 | 对整个操作系统进行打包 | 打包项目代码和项目所需要的部分操作系统 |
