Linux操作系统中的Namespace是个什么鬼

在初步的了解 docker 后，笔者期望通过理解 docker 背后的技术原理来深入的学习和使用 docker，接下来的几篇文章简单的介绍下 linux namespace 的概念以及基本用法。

namespace的概念

namespace 是 Linux 内核用来隔离内核资源的方式。通过 namespace 可以让一些进程只能看到与自己相关的一部分资源，而另外一些进程也只能看到与它们自己相关的资源，这两拨进程根本就感觉不到对方的存在。具体的实现方式是把一个或多个进程的相关资源指定在同一个 namespace 中。

Linux namespaces 是对全局系统资源的一种封装隔离，使得处于不同 namespace 的进程拥有独立的全局系统资源，改变一个 namespace 中的系统资源只会影响当前 namespace 里的进程，对其他 namespace 中的进程没有影响。

namespace的用途

可能绝大多数的使用者和我一样，是在使用 docker 后才开始了解 linux 的 namespace 技术的。实际上，Linux 内核实现 namespace 的一个主要目的就是实现轻量级虚拟化(容器)服务。在同一个 namespace 下的进程可以感知彼此的变化，而对外界的进程一无所知。这样就可以让容器中的进程产生错觉，认为自己置身于一个独立的系统中，从而达到隔离的目的。也就是说 linux 内核提供的 namespace 技术为 docker 等容器技术的出现和发展提供了基础条件。

我们可以从 docker 实现者的角度考虑该如何实现一个资源隔离的容器。比如是不是可以通过 chroot 命令切换根目录的挂载点，从而隔离文件系统。为了在分布式的环境下进行通信和定位，容器必须要有独立的 IP、端口和路由等，这就需要对网络进行隔离。同时容器还需要一个独立的主机名以便在网络中标识自己。接下来还需要进程间的通信、用户权限等的隔离。最后，运行在容器中的应用需要有进程号(PID)，自然也需要与宿主机中的 PID 进行隔离。也就是说这六种隔离能力是实现一个容器的基础，让我们看看 linux 内核的 namespace 特性为我们提供了什么样的隔离能力：

上表中的前六种 namespace 正是实现容器必须的隔离技术，至于新近提供的 Cgroup namespace 目前还没有被 docker 采用。相信在不久的将来各种容器也会添加对 Cgroup namespace 的支持。

namespace的发展历史

Linux 在很早的版本中就实现了部分的 namespace，比如内核 2.4 就实现了 mount namespace。大多数的 namespace 支持是在内核 2.6 中完成的，比如 IPC、Network、PID、和 UTS。还有个别的 namespace 比较特殊，比如 User，从内核 2.6 就开始实现了，但在内核 3.8 中才宣布完成。同时，随着 Linux 自身的发展以及容器技术持续发展带来的需求，也会有新的 namespace 被支持，比如在内核 4.6 中就添加了 Cgroup namespace。

Linux 提供了多个 API 用来操作 namespace，它们是 clone()、setns() 和 unshare() 函数，为了确定隔离的到底是哪项 namespace，在使用这些 API 时，通常需要指定一些调用参数：CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWNET、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWUTS 和 CLONE_NEWCGROUP。如果要同时隔离多个 namespace，可以使用 | (按位或)组合这些参数。同时我们还可以通过 /proc 下面的一些文件来操作 namespace。下面就让让我们看看这些接口的简要用法。

查看进程所属的namespace

从版本号为 3.8 的内核开始，/proc/[pid]/ns 目录下会包含进程所属的 namespace 信息，使用下面的命令可以查看当前进程所属的 namespace 信息：

$ ll /proc/$$/ns 

首先，这些 namespace 文件都是链接文件。链接文件的内容的格式为 xxx:[inode number]。其中的 xxx 为 namespace 的类型，inode number 则用来标识一个 namespace，我们也可以把它理解为 namespace 的 ID。如果两个进程的某个 namespace 文件指向同一个链接文件，说明其相关资源在同一个 namespace 中。

其次，在 /proc/[pid]/ns 里放置这些链接文件的另外一个作用是，一旦这些链接文件被打开，只要打开的文件描述符(fd)存在，那么就算该 namespace 下的所有进程都已结束，这个 namespace 也会一直存在，后续的进程还可以再加入进来。

除了打开文件的方式，我们还可以通过文件挂载的方式阻止 namespace 被删除。比如我们可以把当前进程中的 uts 挂载到 ~/uts 文件：

$ touch ~/uts 
$ sudo mount --bind /proc/$$/ns/uts ~/uts 

使用 stat 命令检查下结果：

很神奇吧，~/uts 的 inode 和链接文件中的 inode number 是一样的，它们是同一个文件。

clone函数

我们可以通过 clone() 在创建新进程的同时创建 namespace。clone() 在 C 语言库中的声明如下：

/* Prototype for the glibc wrapper function */ 
#define _GNU_SOURCE 
#include <sched.h> 
int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg); 

（编辑：吕梁站长网）

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