传统进程管理的困境
当我们登录到操作系统后，通过 ps 等命令，能看到各式各样的进程，涵盖系统自带服务与用户应用进程。这些进程具有三个显著特点：相互可见并能通信、共享同一文件系统、共用相同系统资源。
然而，这些特点却引发了诸多问题。高级权限进程可利用相互可见性攻击其他进程；同一文件系统下，进程间数据易被修改、删除，依赖冲突也给运维带来极大压力；系统资源被共享使用，应用间常出现资源抢占，影响其他应用正常运行。例如，当一个资源密集型应用运行时，可能导致其他应用因资源不足而无法提供服务。
为解决这些问题，一种全新的进程运行环境应运而生，那就是容器。
容器：进程的理想家园
隔离与独立
为解决进程使用同一文件系统的问题，Linux 和 Unix 操作系统借助 chroot 系统调用，将子目录转变为根目录，实现视图级别的隔离，使进程拥有独立文件系统，其对文件系统的操作不会影响其他进程。
同时，利用 Namespace 技术，实现进程在资源视图上的隔离，让进程彼此不可见。再通过 Cgroup 限制进程资源使用率，如设置 CPU 和内存使用量，避免进程过度消耗资源。
容器，就是这样一个具备视图隔离、资源可限制、拥有独立文件系统的进程集合。它宛如一个独立的小世界，将系统其他资源隔离开来，拥有自己独特的资源视图。
容器的文件系统
容器拥有独立文件系统，因其使用系统资源，所以在该文件系统内无需内核相关代码或工具，只需具备运行所需的二进制文件、配置文件及依赖即可运行。
镜像：容器的灵魂伴侣
什么是镜像
我们将容器运行时所需的所有文件集合，称作容器镜像。它就像是容器的蓝图，包含了容器运行所需的一切。
镜像的构建
通常，我们采用 Dockerfile 来构建镜像。Dockerfile 提供了便捷的语法糖，能清晰描述构建的每个步骤。每个构建步骤都会对文件系统进行操作，产生的变化称为 changeset。
将构建步骤产生的变化依次作用于空文件夹，就能得到完整镜像。changeset 的分层与复用特性带来诸多优势：提高分发效率，大镜像拆分后可并行下载；减少数据下载量，本地已有部分数据时，只需下载缺失部分；节约磁盘空间，以 golang 镜像基于 alpine 镜像构建为例，复用后可节省大量空间。
以下是一个构建 golang 应用的 Dockerfile 示例：
# 指定构建基于的镜像，体现镜像复用性FROM golang:1.12-alpine# 指定后续构建步骤所在目录，类似 Shell 中的 cd 命令WORKDIR /go/src/app# 将宿主机文件拷贝到容器镜像内COPY . .# 在文件系统内执行相应操作，完成应用构建与安装RUN go get -d -v./...#build the application and install itRUN go install -v./...# 指定使用镜像时的默认程序CMD ["app"]
有了 Dockerfile 后，使用 docker build 命令即可构建应用，构建结果存储在本地。
镜像的存储与使用
构建好的镜像需存储与管理，docker registry（镜像仓库）应运而生，它负责存储所有镜像数据。通过 docker push 可将本地镜像推送到镜像仓库，在生产或测试环境中，就能从仓库下载镜像并运行。
容器的运行之旅
运行容器一般分为三步：
从镜像仓库下载相应镜像。
用 docker images 查看本地镜像列表，从中选择所需镜像。
使用 docker run 运行选中镜像，得到容器，可多次运行同一镜像获得多个容器。镜像如同模板，容器则是具体运行实例，这体现了镜像一次构建、到处运行的特点。
容器的生命周期
运行时生命周期
容器由一组具有隔离特性的进程集合组成。使用 docker run 时，选择镜像提供独立文件系统并指定运行程序（initial 进程）。initial 进程启动，容器随之启动；initial 进程退出，容器也退出，二者生命周期一致。
但容器内不止 initial 进程，它还可产生子进程，或通过 docker exec 进行运维操作，这些都由 initial 进程管理。initial 进程退出时，所有子进程随之退出，防止资源泄漏。
数据持久化
应用程序往往有状态，会产生重要数据。容器退出删除后数据易丢失，为解决此问题，引入数据卷。数据卷是特殊目录，用于容器数据持久化，其生命周期独立于容器。将数据卷挂载到容器内，容器可将数据写入，容器退出数据也不会丢失。
数据卷管理主要有两种方式：
bind 方式：直接将宿主机目录挂载到容器内，简单但依赖宿主机目录，运维成本高。
目录管理交给运行引擎。
容器项目架构
moby 容器引擎架构
moby 是目前最流行的容器管理引擎，moby daemon 负责容器、镜像、网络及 Volume 的管理。其依赖的重要组件是 containerd，containerd 是容器运行时管理引擎，独立于 moby daemon，提供容器和镜像相关管理。
containerd 底层的 containerd shim 模块类似守护进程，设计原因如下：
管理容器生命周期，为不同容器运行时提供灵活插件化管理，shim 针对不同运行时开发，以插件形式管理。
实现动态接管，防止 moby daemon 或 containerd daemon 意外退出时容器无人管理而消失，影响应用运行。
支持 moby 或 containerd 原地升级，不影响业务。
容器 VS VM
差异对比
VM 利用 Hypervisor 虚拟化技术模拟 CPU、内存等硬件资源，在宿主机上建立 Guest OS，每个 Guest OS 有独立内核，如 Ubuntu、CentOS、Windows 等，应用在 Guest OS 下相互独立，隔离效果好。但需占用大量计算资源和磁盘空间，启动慢，如 Windows 安装需 10 - 30G 磁盘空间，Ubuntu 需 5 - 6G。
容器针对进程，无需 Guest OS，仅需独立文件系统提供文件集合，文件隔离为进程级别，启动快，所需磁盘空间小。不过，进程级隔离效果相对 VM 较差。
总体而言，容器和 VM 各有优劣，目前容器技术正朝着强隔离方向发展。
总结
容器作为一个独特的进程集合，拥有独立的视图视角；镜像为容器提供所需的全部文件集合，具备一次构建、到处运行的特性；容器的生命周期与 initial 进程紧密相连；与 VM 相比，容器在某些方面具有优势，同时也在不断发展完善。
随着技术的持续进步，容器技术必将在未来的数字化世界中发挥更为重要的作用，为我们带来更加高效、便捷的应用部署与运行体验。
