为什么建议一个容器中只运行一个进程

wy168 发表于 2024-1-3 11:52:10

在云原生与容器化时代浪潮下，大多数新手的普遍认识是“容器=虚拟机”，既然容器等同于虚拟机，那么在容器中想运行多少个进程就运行多少个进程。
作为从新手村走过来的人，笔者想为这个想法纠偏，避免大家和我走一样的弯路。有两个概念我们要理清：第一，容器不等同于虚拟机；第二，容器中不建议运行多个进程。
本文以Docker容器为主要讨论展开。
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">为什么说容器不等同于虚拟机呢？#</h1>
我们来看一个较为学术的定义：A docker container is not a full virtual machine to run a complete stack of application instances and services. Docker container is the application; or more accurately a service that helps to make up the application.即，Docker容器不是一个运行完整的应用程序实例和服务堆栈的完整虚拟机。Docker容器是一种应用程序，或更准确地说是一种有助于构建应用程序的服务。
虽然容器不等同于虚拟机，但它们也有相似之处，容器与虚拟机拥有着类似的使命：对应用程序及其关联性进行隔离，从而构建起一套能够随处运行的自容纳单元。此外，容器与虚拟机还摆脱了对物理硬件的直接控制，允许我们更为高效地使用计算资源，从而提升能源效率与成本效益。
那么，容器和虚拟机的不同点究竟在哪呢？笔者在这里做了一个通俗形象的类比。首先，对于物理机、虚拟机和容器在基础架构上的不同，可以类比为独栋别墅、小区楼盘和胶囊式公寓的区别。
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<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">物理机#</h1>
物理机就像独栋别墅，拥有独立的基础设施，水管、电线、地基等都由自己独享，也就是说，网卡、内存、CPU等硬件都由自身操作系统独占。
物理机上的硬件可以看作是基础设施（Infrastructure），没有基础设施一切都无从谈起，硬件之上则是主操作系统（Host Operating System）。除此之外，还有各类基础软件，如各类硬件配套的驱动软件。
这里还要再重点介绍的是Hypervisor，它（也称为虚拟机监视器或VMM）是创建和运行虚拟机（VM）的软件。虚拟机管理程序通过虚拟共享其资源（例如内存和CPU），使一台主机可以支持多个Guest OS。
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">虚拟机#</h1>
虚拟机就像小区楼盘，所有房子共享地基，但房子内部有自己独立了电线、水管，虽然最终也是走的统一水电管网出小区。也就是说，多个虚拟机之间，网卡、内存、CPU等硬件虽然最终是共用一套，但在虚拟机内部是由独立的一套虚拟硬件进行运转的。
前面我们介绍了hypervisor，hypervisor是一种虚拟化服务器的软件，这是在物理机及宿主机操作系统上运行虚拟机VM的基础，它帮助我们对硬件进行虚拟化。
虚拟机里的操作系统我们称为Guest OS，这是一个完整的操作系统，只要安装应用程序运行所必需的二进制文件和库，在其之上便可以运行应用程序，且能确保各个虚拟机之间、虚拟机与宿主机之间的环境完全独立、资源相互隔离。
由于虚拟机里运行的是一个完整的操作系统，且需要虚拟出Guest OS运行时所需的所有硬件的虚拟副本，这意味着虚拟机会占用大量系统资源，特别是CPU和内存的资源占用率会比较高，且虚拟机的空间占用可以高达数GB。不过在合理范围内，虚拟机可以利用固有的硬件资源虚拟出多台完整VM，其存在仍然有价值，与单独运行的物理机相比仍然是经济的。
虚拟机是伟大的，它通过抽象来增加并行，服务于多操作系统的使用，并提供业界最好的安全性。但对于隔离，它们相当昂贵。
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图1. 虚拟机层级图
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">容器#</h1>
容器就像胶囊式公寓，所有隔间不仅共享地基，连电线、水管也都是共享的，且每个隔间的空间有限，彼此之间也相互隔离。当然，他们是共用大房间里的基础设施，如公共空间。
也就是说，容器是共用物理网卡、内存、CPU的。只有当他们之间需要通信时，才会采用容器层面的网桥docker0，而对于其他硬件，可以简单认为每个容器占有了限定范围内的资源（如RAM、CPU等）。
容器只是运行在宿主机上的一种特殊进程，多个容器之间使用的还是同一个宿主机的操作系统内核。可以认为，容器是一个不依赖于操作系统，运行应用程序的环境。
容器通过Linux的Namespace和Cgroups技术对应用程序进程进行隔离和资源限制。
Namespace的作用是环境隔离，它让应用程序只看到该Namespace内的世界。而Cgroups 的作用是限制分配给进程的宿主机资源。不过，对于宿主机来说，这些被“隔离”了的进程跟其他进程并没有太大区别。
对于Namespace技术，这里做一个稍微深入一点的解读。通过Mount Namespace，容器可以修改进程对自己的文件系统“挂载点”的认知。在容器进程启动之前重新挂载它的整个根目录"/"，这个挂载在容器根目录上、用来为容器进程提供隔离后执行环境的文件系统，就是所谓的“容器镜像”。它还有一个更为专业的名字，叫作：rootfs（根文件系统）。rootfs只是一个操作系统所包含的文件、配置和目录，并不包括操作系统内核。同一台机器上的所有容器，都共享宿主机操作系统的内核。
Linux CGroup全称Linux Control Group，是Linux内核的一个功能，用来限制，控制与分离一个进程组群的资源（如CPU、内存、磁盘输入输出等）。Cgroup可让您为系统中所运行任务（进程）的用户定义组群分配资源—比如CPU时间、系统内存、网络带宽或者这些资源的组合。您可以监控您配置的Cgroup，拒绝Cgroup访问某些资源，甚至在运行的系统中动态配置您的Cgroup。
回过头来谈谈操作系统内核，由于同一台宿主机上的所有容器都共享宿主机的操作系统内核，那么如果有一个容器里的应用程序需要配置内核参数，跟内核进行直接交互，则这些参数对所有容器来说就像一个“全局变量”，牵一发而动全身。
这也是容器劣势的主要原因，正是因为容器共享宿主机操作系统内核，因此不能像虚拟机一样模拟出完整的硬件机器充当沙盒，从而实现完全隔离。也就是说，容器是进程级的隔离，它可以通过影响宿主机操作系统内核来影响其他容器。
但容器还是有很多优势。首先，容器的空间占用比虚拟机小很多，甚至可以小到10MB，和虚拟机动则数GB相比十分小巧；其次，容器能轻松限制内存和CPU使用率，相比虚拟机采用hypervisor来实现虚拟化更加轻量；同时，正是由于容器体积小、采用的技术（Containerzation Engine）更轻量，使得它启动十分迅速，这十分有利于快速扩展。
值得一提的是，在DevOps理念日益流行的时代，容器对于持续集成和持续部署（CI/CD）实施也是极好的选择，它使得开发人员更容易构建、分发以及快速部署他们的应用程序。
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图2. 容器层级图
<h1 style="text-align: left; margin-bottom: 10px;">为什么说容器中不建议运行多个进程呢？#</h1>
聊过虚拟机与容器的区别之后，让我们暂时忘记架构和软件工程哲学。在前面的讨论中我们已经知道，容器其实是应用程序抽象出来的可相互隔离的线程。尽管单个容器中确实可以运行多个应用程序，但出于实际原因，您可能需要考虑遵循“每个容器一个应用程序”的经验法则。
1、每个容器中只运行一个应用程序，则水平伸缩将变得十分容易。例如，当你需要一个Tomcate容器，可以从现有的容器再扩展出一个，但如果你的这个容器中不仅有Tomcate，还有MySQL等其他应用程序，事情就会变得复杂起来。
2、每个容器中只运行一个应用程序，可以轻松地将其重新用于其他项目或目的，极大增加复用度。
3、每个容器中只运行一个应用程序，出现故障时开发人员能方便地对该故障容器进行问题排查，而不必对整个系统的各个部分进行排查，这也使得其更具有可移植性和可预测性。
4、每个容器中只运行一个应用程序，升级程序时能够将影响范围控制在更小的粒度，极大增加应用程序生命周期管理的灵活性，避免在升级某个服务时中断相同容器中的其他进程。
5、每个容器中只运行一个应用程序，从安全性和隔离性角度来看，能够提供更安全的服务和应用程序间的隔离，以保持强大的安全状态或遵守PCI之类的规定。
话说回来，容器本身的设计，就是希望容器和服务/应用能够具备相同的生命周期。即：一个容器对应一个进程。这样，才能够最好地应用容器编排来管理好容器和服务。
综上，建议单个容器中只运行一个独立的进程。

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