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本文來自微信公眾號：開發(fā)號山修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！如果大家有在容器中執(zhí)行 ps 命令的經(jīng)驗，都會知道在容器女丑的進程 pid 一般是比較小的。例如下面我的這個例梁渠。#?ps?-efPID???USER?????TIME??COMMAND????1?root??????0:00?./demo-ie???13?root??????0:00?/bin/bash???21?root??????0:00?ps?-ef不知道大家是否和我一樣好奇容器進程中英山 pid 是如何申請出來的？和宿主機中申請 pid 有什么不同？內(nèi)核又是如何奚仲示容器中進程號的？前面我們在《Linux 進程是如何創(chuàng)建出來的？》中介紹了進?魚的創(chuàng)建過程。實上進程的 pid 命名空間、pid 也都是在這個過程中申請的。白翟今天就來帶大家深理解一下 docker 核心之一 pid 命名空間的工作原理。一、Linux 的默認 pid 命名空間前面的文章《Linux 進程是如何創(chuàng)建出來的？》中我們提到了進苗龍命名空間成員 nsproxy。//file:include/linux/sched.hstruct?task_struct?{???struct?nsproxy?*nsproxy;}Linux 在啟動的時候會有一套默認的命空間，定義在 kernel / nsproxy.c 文件下。//file:kernel/nsproxy.cstruct?nsproxy?init_nsproxy?=?{?.count?=?ATOMIC_INIT(1),?.uts_ns?=?&init_uts_ns,?.ipc_ns?=?&init_ipc_ns,?.mnt_ns?=?NULL,?.pid_ns?=?&init_pid_ns,?.net_ns?=?&init_net,};其中默認的 pid 命名空間是 init_pid_ns，它定義在 kernel / pid.c 下。//file:kernel/pid.cstruct?pid_namespace?init_pid_ns?=?{?.kref?=?{??.refcount???????=?ATOMIC_INIT(2),?},?.pidmap?=?{??[?0??PIDMAP_ENTRIES-1]?=?{?ATOMIC_INIT(BITS_PER_PAGE),?NULL?}?},?.last_pid?=?0,?.level?=?0,?.child_reaper?=?&init_task,?.user_ns?=?&init_user_ns,?.proc_inum?=?PROC_PID_INIT_INO,};在 pid 命名空間里我覺得最需要關(guān)注的是個字段。一個是 level 表示當(dāng)前 pid 命名空間的層級。另一個是 pidmap，這是一個 bitmap，一個 bit 如果為 1，就表示當(dāng)前序號的 pid 已經(jīng)分配出去了。另外默認命薄魚空間 level 初始化是 0。這是一個表示樹的層次結(jié)構(gòu)的點。如果有多個命名空間創(chuàng)建來，它們之間會組成一棵樹。level 表示樹在第幾層。根節(jié)點的 level 是 0。INIT_TASK 0 號進程，也叫 idle 進程，它固定使用這個默認的 init_nsproxy。//file:include/linux/init_task.h#define?INIT_TASK(tsk)?\{??.state??=?0,??????\?.stack??=?&init_thread_info,????\?.usage??=?ATOMIC_INIT(2),????\?.flags??=?PF_KTHREAD,?????\?.prio??=?MAX_PRIO-20,?????\?.static_prio?=?MAX_PRIO-20,?????\?.normal_prio?=?MAX_PRIO-20,?????\??.nsproxy?=?&init_nsproxy,????\?}所有進程都是一個派生一個的方式生成出重的。如果不指命名空間，所有進程使用的都使用缺省的命名空間。二、Linux 新 pid 命名空間創(chuàng)建在這里，我們假設(shè)我們創(chuàng)進程時指定了 CLONE_NEWPID 要創(chuàng)建一個獨立的 pid 命名空間出來（Docker 容器就是這么干的）。在 《Linux 進程是如何創(chuàng)建出來的？》一文中我騶吾經(jīng)了解了進程的創(chuàng)建過程。鳥山創(chuàng)建過程的核心是在于 copy_process 函數(shù)。在這個函數(shù)中會申請和拷白虎進程地址空間、打開文件列表、文目錄等關(guān)鍵信息，另外就是 pid 命名空間的創(chuàng)建也是在這里完成的。//file:kernel/fork.cstatic?struct?task_struct?*copy_process(){??//2.1?拷貝進程的命名空間?nsproxy?retval?=?copy_namespaces(clone_flags,?p);?//2.2?申請?pid??pid?=?alloc_pid(p-nsproxy-pid_ns);?//2.3?記錄?pid??p-pid?=?pid_nr(pid);?p-tgid?=?p-pid;?attach_pid(p,?PIDTYPE_PID,?pid);?}2.1 創(chuàng)建進程時構(gòu)造新命名空間在上面的 copy_process 代碼中我們看到對 copy_namespaces 函數(shù)的調(diào)用。命名空間就是在這個函數(shù)中涹山作的//file:kernel/nsproxy.cint?copy_namespaces(unsigned?long?flags,?struct?task_struct?*tsk){?struct?nsproxy?*old_ns?=?tsk-nsproxy;?if?(!(flags?&?(CLONE_NEWNS?|?CLONE_NEWUTS?|?CLONE_NEWIPC?|????CLONE_NEWPID?|?CLONE_NEWNET)))??return?0;?new_ns?=?create_new_namespaces(flags,?tsk,?user_ns,?tsk-fs);?tsk-nsproxy?=?new_ns;?}如果在創(chuàng)建進程時候沒有傳入 CLONE_NEWNS 等幾個 flag，還是會復(fù)用之前的默認命名間。這幾個 flag 的含義如下。CLONE_NEWPID: 是否創(chuàng)建新的進程編號命名空間，以便與宿肥蜰機的進程 PID 進行隔離CLONE_NEWNS: 是否創(chuàng)建新的掛載點（文件黑狐統(tǒng)）命名空間，便隔離文件系統(tǒng)和掛載點CLONE_NEWNET: 是否創(chuàng)建新的網(wǎng)絡(luò)命名空間，以便隔網(wǎng)卡、IP、端口、路由表等網(wǎng)絡(luò)資源CLONE_NEWUTS: 是否創(chuàng)建新的主機名與域名命名空間，以便在網(wǎng)絡(luò)中獨標識自己CLONE_NEWIPC: 是否創(chuàng)建新的 IPC 命名空間，以便隔離信號量、消息隊列和共享內(nèi)存CLONE_NEWUSER: 用來隔離用戶和用戶組的。熊山為我們本開頭假設(shè)傳入了 CLONE_NEWPID 標記。所以會進入到 create_new_namespaces 中來申請新的命名空間。//file:kernel/nsproxy.cstatic?struct?nsproxy?*create_new_namespaces(unsigned?long?flags,?struct?task_struct?*tsk,?struct?user_namespace?*user_ns,?struct?fs_struct?*new_fs){?//申請新的?nsproxy?struct?nsproxy?*new_nsp;?new_nsp?=?create_nsproxy();??//拷貝或創(chuàng)建?PID?命名空間?new_nsp-pid_ns?=?copy_pid_ns(flags,?user_ns,?tsk-nsproxy-pid_ns);}create_new_namespaces 中會調(diào)用 copy_pid_ns 來完成實際的創(chuàng)建，真正的創(chuàng)建過程是在 create_pid_namespace 中完成的。//file:kernel/pid_namespace.cstatic?struct?pid_namespace?*create_pid_namespace(...){?struct?pid_namespace?*ns;?//新?pid?namespace?level?+?1?unsigned?int?level?=?parent_pid_ns->level?+?1;?//申請內(nèi)存?ns?=?kmem_cache_zalloc(pid_ns_cachep,?GFP_KERNEL);?ns->pidmap[0].page?=?kzalloc(PAGE_SIZE,?GFP_KERNEL);?ns->pid_cachep?=?create_pid_cachep(level?+?1);?//設(shè)置新命名空間?level?ns->level?=?level;?//新命名空間和舊命名空間組猾褱棵樹?ns->parent?=?get_pid_ns(parent_pid_ns);?//初始化?pidmap?set_bit(0,?ns->pidmap[0].page);?atomic_set(&ns->pidmap[0].nr_free,?BITS_PER_PAGE?-?1);?for?(i?=?1;?i?pidmap[i].nr_free,?BITS_PER_PAGE);?return?ns;}在 create_pid_namespace 真正申請了新的 pid 命名空間，為它的 pidmap 申請了內(nèi)存（在 create_pid_cachep 中申請的），也進行了初始化。另還有一點比較重要的是新命名間和舊命名空間通過 parent、level 等字段組成了一棵樹。其中 parent 指向了上一級命名空間，自己的 level 用來表示層次，設(shè)置成了上一級 level + 1。其最終的效果就是新進程擁有了新的 pid namespace，并且這個新 pid namespace 和父 pidnamespace 串聯(lián)了起來，效果如下圖。如果 pid 有多層的話，會組成更直觀的樹形結(jié)構(gòu)。2.2 申請進程 id創(chuàng)建完命名空間后，在 copy_process 中接下來接著就是調(diào)用 alloc_pid 來分配 pid。//file:kernel/fork.cstatic?struct?task_struct?*copy_process(){??//2.1?拷貝進程的命名空間?nsproxy?retval?=?copy_namespaces(clone_flags,?p);??//2.2?申請?pid??pid?=?alloc_pid(p-nsproxy-pid_ns);?}注意傳入的參數(shù)是 p->nsproxy->pid_ns。前面進程創(chuàng)建了新的 pid namespace，這個時候該命名空間就是 level 為 1 的新 pid_ns。我們繼續(xù)來看 alloc_pid 具體 pid 的過程。//file:kernel/pid.cstruct?pid?*alloc_pid(struct?pid_namespace?*ns){?//申請?pid?內(nèi)核對象?pid?=?kmem_cache_alloc(ns-pid_cachep,?GFP_KERNEL);?//調(diào)用到alloc_pidmap來分配一個空閑的pid?tmp?=?ns;?pid-level?=?ns-level;?for?(i?=?ns-level;?i?=?0;?i--)???nr?=?alloc_pidmap(tmp);??if?nr?numbers 數(shù)組中。這里多說一下，如果 pid 申請失敗的話，會報 -ENOMEM 錯誤，在用戶層看起來就是“fork: 無法分配內(nèi)存”，實際是由 pid 不足引起的。這個問題我在《明明還蔿國大內(nèi)存，為啥報錯“無法分配內(nèi)”？》 提到過。2.3 設(shè)置整數(shù)格式 pid當(dāng)申請并構(gòu)造完 pid 后，將其設(shè)置在 task_struct 上，記錄起來。//file:kernel/fork.cstatic?struct?task_struct?*copy_process(){??//2.2?申請?pid??pid?=?alloc_pid(p-nsproxy-pid_ns);?//2.3?記錄?pid??p-pid?=?pid_nr(pid);?p-tgid?=?p-pid;?attach_pid(p,?PIDTYPE_PID,?pid);?}其中 pid_nr 是獲取的根 pid 命名空間下的 pid 編號，參見 pid_nr 源碼。//file:include/linux/pid.hstatic?inline?pid_t?pid_nr(struct?pid?*pid){?pid_t?nr?=?0;?if?(pid)??nr?=?pid-numbers[0].nr;?return?nr;}然后再調(diào)用 attach_pid 是把申請到的 pid 結(jié)構(gòu)掛到自己的 pids [PIDTYPE_PID] 鏈表里了。//file:kernel/pid.cvoid?attach_pid(struct?task_struct?*task,?enum?pid_type?type,??struct?pid?*pid){??link?=?&task-pids[type];?link-pid?=?pid;?hlist_add_head_rcu(&link-node,?&pid-tasks[type]);}task->pids 是一組鏈表。三、容器進程 pid 查看pid 已經(jīng)申請好了，那在容器中是如何查看炎融前次的進程號的呢？比如我們在器中看到的 demo-ie 進程的 id 就是 1。#?ps?-efPID???USER?????TIME??COMMAND????1?root??????0:00?./demo-ie????...內(nèi)核提供了個函數(shù)用來查看進程在當(dāng)巫肦某個命名空間的命名。//file:kernel/pid.cpid_t?pid_vnr(struct?pid?*pid){?return?pid_nr_ns(pid,?task_active_pid_ns(current));}其中在容器中查看進程 pid 使用的是 pid_vnr，pid_vnr 調(diào)用 pid_nr_ns 來查看進程在特定命名空間里的程號。函數(shù) pid_nr_ns 接收連個參數(shù)第一個參數(shù)是進程里炎居錄的 pid 對象（保存有在各個層次申請到的 pid 號）第二個參數(shù)是指定的 pid 命名空間（通過 task_active_pid_ns (current) 獲?。?。當(dāng)具備這兩個參數(shù)后就可以根據(jù) pid 命名空間里記錄的層次 level 取得容器進程的當(dāng)前 pid 了//file:kernel/pid.cpid_t?pid_nr_ns(struct?pid?*pid,?struct?pid_namespace?*ns){?struct?upid?*upid;?pid_t?nr?=?0;?if?pid?&&?ns-level?=?pid-level?{??upid?=?&pid-numbers[ns-level];??if?upid-ns?==?ns)???nr?=?upid-nr;?}?return?nr;}在 pid_nr_ns 中通過判斷 level 就把容器 pid 整數(shù)值查出來了。四、總結(jié)最后，舉個例子，假有一個進程在 level 0 級別的 pid 命名空間里申請到的進程號是 1256，在 level 1 容器 pid 命名空間里申請到的進程號是 5。那么這個進程以及其 pid 在內(nèi)存中的形式是下圖這個樣子的。奚仲么容器在查進程的 pid 號的時候，傳入容器的 pid 命名空間，就可以將該進程在容器中的 pid 號 5 給打印出來了！?