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learn.lianglianglee.com/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/17 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（上）.md.html
周伟 387f48277a u
2022-05-11 18:46:27 +08:00

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<title>17 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（上）.md</title>
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<span>技术文章摘抄</span>
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<li>
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</li>
<li>
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</li>
</ul>
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<div class="book-post">
<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>17 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（上）</h1>
<p>第一模块，我们从 Docker 基础概念讲到 Docker 的基本操作。第二模块，我们详细剖析了 Docker 的三大关键技术（ Namespace、cgroups 和联合文件系统）的实现原理，并且讲解了 Docker 的网络模型等关键性技术。相信此时的你已经对 Docker 有了一个新的认识。</p>
<p>接下来的两课时，我就趁热打铁，带你动手使用 Golang 编写一个 Docker。学习这两节的内容需要你能够熟练使用 Golang 语言，如果你没有 Golang 编程基础，建议先学习一下 Golang 的基本语法。那么 Golang 究竟是什么呢? Golang 应该如何安装使用？下面我带你一一学习。</p>
<h3>Golang 是什么?</h3>
<p>Golang 又称为 Go，是 Google 开源的一种静态编译型语言，Golang 自带内存管理机制，相比于 C 和 C++ 语言，我们不需要关心内存的分配和回收。</p>
<p>Golang 是新一代的互联网编程语言，在 Golang 诞生前，C 或 C++ 作为服务端高性能编程语言，使用 C 或 C++ 开发的业务具有非常高的执行效率，但是编译和开发效率却不尽人意，Java、.NET 等语言的诞生大大提高了软件开发速度，但是运行效率和资源占用却不如 C 和 C++。</p>
<p>这时 Golang 横空出世，由于 Golang 较高的开发效率和执行效率，很快便从众多编程语言中脱颖而出，成为众多互联网公司的新宠儿。滴滴、知乎、阿里等众多大型互联网公司都在大量使用 Golang。 同时，Docker 和 Kubernetes 等众多明星项目也都是使用 Golang 开发的。因此，熟练掌握 Golang 将会为你加分很多。</p>
<p>这么好的编程语言，你是不是已经迫不及待地想要安装体验一下了？别着急，下面我带你来安装一个 Golang 环境。</p>
<h3>Golang 安装</h3>
<p>安装信息如下：</p>
<ul>
<li>CentOS 7系统</li>
<li>Golang 版本 1.15.2</li>
</ul>
<p>首先我们到<a href="https://golang.org/">Golang 官网</a>（由于国内无法访问 Golang 官网，推荐到<a href="https://studygolang.com/dl">Golang 中文网</a>下载安装包）下载一个对应操作系统的安装包。</p>
<pre><code>$ cd /tmp &amp;&amp; wget https://studygolang.com/dl/golang/go1.15.2.linux-amd64.tar.gz
</code></pre>
<p>解压缩安装包：</p>
<pre><code>$ sudo tar -C /usr/local -xzf go1.15.2.linux-amd64.tar.gz
</code></pre>
<p>在 $HOME/.bashrc 文件末尾添加以下内容，将 Golang 可执行文件目录添加到系统 PATH 中：</p>
<pre><code>export PATH=$PATH:/usr/local/go/bin
</code></pre>
<p>将 go 的安装路径添加到系统 PATH 中后，就可以在命令行直接使用 go 命令了。配置好 go 命令后，我们还需要配置 GOPATH 才能正确存放和编译我们的 go 代码。</p>
<h4>配置 GOPATH</h4>
<p>GOPATH 是 Golang 的源码和相关编译文件的存放路径，GOPATH 路径下有三个文件夹 src、pkg 和 bin，它们的用途分别是：</p>
<table>
<thead>
<tr>
<th><strong>目录</strong></th>
<th><strong>用途</strong></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>src</td>
<td>源代码存放路径或者引用的外部库</td>
</tr>
<tr>
<td>pkg</td>
<td>编译时生成的对象文件</td>
</tr>
<tr>
<td>bin</td>
<td>编译后的可执行二进制</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>这里我们开始配置 GOPATH 路径为 /go。首先准备相关的目录：</p>
<pre><code>$ sudo mkdir /go
$ sudo mkdir /go/src
$ sudo mkdir /go/pkg
$ sudo mkdir /go/bin
</code></pre>
<p>然后将 GOPATH 添加到 $HOME/.bashrc 文件末尾，并且把 GOPATH 下的 bin 目录也添加到系统的 PATH 中，这样方便程序编译后直接使用。添加的内容如下：</p>
<pre><code>export GOPATH=/go
export PATH=$PATH:$GOPATH/bin
# 设置 Golang 的代理，方便我们顺利下载依赖包
export GOPROXY=&quot;https://goproxy.io,direct&quot;
</code></pre>
<p>接下来，使用 source $HOME/.bashrc 命令生效一下我们的配置，然后我们再使用 go env 命令查看一下我们的配置结果：</p>
<pre><code>$ go env
GO111MODULE=&quot;&quot;
GOARCH=&quot;amd64&quot;
GOBIN=&quot;&quot;
GOCACHE=&quot;/root/.cache/go-build&quot;
GOENV=&quot;/root/.config/go/env&quot;
GOEXE=&quot;&quot;
GOFLAGS=&quot;&quot;
GOHOSTARCH=&quot;amd64&quot;
GOHOSTOS=&quot;linux&quot;
GOINSECURE=&quot;&quot;
GOMODCACHE=&quot;/go/pkg/mod&quot;
GONOPROXY=&quot;&quot;
GONOSUMDB=&quot;&quot;
GOOS=&quot;linux&quot;
GOPATH=&quot;/go&quot;
GOPRIVATE=&quot;&quot;
GOPROXY=&quot;https://goproxy.io,direct&quot;
GOROOT=&quot;/usr/local/go&quot;
GOSUMDB=&quot;sum.golang.org&quot;
GOTMPDIR=&quot;&quot;
GOTOOLDIR=&quot;/usr/local/go/pkg/tool/linux_amd64&quot;
GCCGO=&quot;gccgo&quot;
AR=&quot;ar&quot;
CC=&quot;gcc&quot;
CXX=&quot;g++&quot;
CGO_ENABLED=&quot;1&quot;
GOMOD=&quot;&quot;
CGO_CFLAGS=&quot;-g -O2&quot;
CGO_CPPFLAGS=&quot;&quot;
CGO_CXXFLAGS=&quot;-g -O2&quot;
CGO_FFLAGS=&quot;-g -O2&quot;
CGO_LDFLAGS=&quot;-g -O2&quot;
PKG_CONFIG=&quot;pkg-config&quot;
GOGCCFLAGS=&quot;-fPIC -m64 -pthread -fmessage-length=0 -fdebug-prefix-map=/tmp/go-build352828668=/tmp/go-build -gno-record-gcc-switches&quot;
</code></pre>
<p>从 GOPATH 和 GOPROXY 两个变量的结果，可以看到 GOPATH 和 GOPROXY 均已经生效。到此，我们的 Golang 已经安装完毕。下面，我们就开始真正的 Docker 编写之旅吧。</p>
<h3>编写 Docker</h3>
<p>在开始编写 Docker 之前，我先介绍几个基础知识，如果你对这些基础知识已经很熟悉了，可以直接跳过这块的基础知识。</p>
<h4>Linux Proc 文件系统</h4>
<p>Linux 系统中，/proc 目录是一种“文件系统”，这里我用了引号，其实 /proc 目录并不是一个真正的文件系统。<strong>/proc 目录存放于内存中，是一个虚拟的文件系统，该目录存放了当前内核运行状态的一系列特殊的文件，你可以通过这些文件查看当前的进程信息。</strong></p>
<p>下面，我们通过 ls 命令查看一下 /proc 目录下的内容：</p>
<pre><code>$ sudo ls -l /proc
total 0
dr-xr-xr-x 9 root root 0 Sep 19 21:34 1
dr-xr-xr-x 9 root root 0 Sep 19 21:34 30097
...省略部分输出
dr-xr-xr-x 9 root root 0 Sep 19 21:34 8
dr-xr-xr-x 9 root root 0 Sep 19 21:34 9
dr-xr-xr-x 9 root root 0 Sep 19 21:34 97
dr-xr-xr-x 2 root root 0 Sep 19 22:27 acpi
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 buddyinfo
dr-xr-xr-x 4 root root 0 Sep 19 22:27 bus
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 cgroups
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 cmdline
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-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 cpuinfo
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-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 21:34 diskstats
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dr-xr-xr-x 2 root root 0 Sep 19 22:27 driver
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dr-xr-xr-x 5 root root 0 Sep 19 22:27 fs
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-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 iomem
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 ioports
dr-xr-xr-x 27 root root 0 Sep 19 22:27 irq
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 kallsyms
-r-------- 1 root root 140737486266368 Sep 19 22:27 kcore
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 key-users
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 keys
-r-------- 1 root root 0 Sep 19 22:27 kmsg
-r-------- 1 root root 0 Sep 19 22:27 kpagecount
-r-------- 1 root root 0 Sep 19 22:27 kpageflags
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 loadavg
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 locks
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 mdstat
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 meminfo
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 misc
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 modules
lrwxrwxrwx 1 root root 11 Sep 19 22:27 mounts -&gt; self/mounts
-rw-r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 mtrr
lrwxrwxrwx 1 root root 8 Sep 19 22:27 net -&gt; self/net
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 pagetypeinfo
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 partitions
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 sched_debug
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 schedstat
dr-xr-xr-x 2 root root 0 Sep 19 22:27 scsi
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep 19 21:34 self -&gt; 30097
-r-------- 1 root root 0 Sep 19 22:27 slabinfo
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 softirqs
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 21:34 stat
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 21:34 swaps
dr-xr-xr-x 1 root root 0 Sep 19 21:34 sys
--w------- 1 root root 0 Sep 19 22:27 sysrq-trigger
dr-xr-xr-x 2 root root 0 Sep 19 22:27 sysvipc
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 timer_list
-rw-r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 timer_stats
dr-xr-xr-x 4 root root 0 Sep 19 22:27 tty
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 uptime
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 version
-r-------- 1 root root 0 Sep 19 22:27 vmallocinfo
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 vmstat
-r--r--r-- 1 root root 0 Sep 19 22:27 zoneinfo
</code></pre>
<p>可以看到，这个目录下有很多数字，这些数字目录实际上是以进程 ID 命名的。除了这些以进程 ID 命名的目录，还有一些特殊的目录，这里我讲解一下与我们编写 Docker 有关的文件和目录。</p>
<ul>
<li><strong>self 目录</strong>：它是连接到当前正在运行的进程目录，比如我当前的进程 ID 为 30097，则 self 目录实际连接到 /proc/30097 这个目录。</li>
<li><strong>/proc/{PID}/exe 文件</strong>：exe 连接到进程执行的命令文件，例如 30097 这个进程的运行命令为 docker，则执行 /proc/30097/exe ps 等同于执行 docker ps。</li>
</ul>
<p>好了，了解完这些基础知识后，我们就开始行动吧！因为我们的精简版 Docker 是使用 Golang 编写，这里就给我们编写的 Docker 命名为 gocker 吧。</p>
<h4>实现 gocker 的 run 命令</h4>
<p>通过前面的章节，我们学习了要运行一个容器，必须先有镜像。这里我们首先准备一个 busybox 镜像，以便我们运行 gocker 容器。</p>
<pre><code>$ mkdir /tmp/busybox &amp;&amp; cd /tmp/busybox
$ docker export $(docker create busybox) -o busybox.tar
$ tar -xf busybox.tar
</code></pre>
<p>以上是我们在 /tmp/busybox 目录，使用 docker export 命令导出的一个 busybox 镜像文件，然后对镜像文件包进行解压，解压后 /tmp/busybox 目录内容如下：</p>
<pre><code>$ ls -l /tmp/busybox/
total 1472
drwxr-xr-x 2 root root 12288 Sep 9 02:09 bin
-rw------- 1 root root 1455104 Sep 19 22:47 busybox.tar
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Sep 19 16:41 dev
drwxr-xr-x 3 root root 4096 Sep 19 16:41 etc
drwxr-xr-x 2 nfsnobody nfsnobody 4096 Sep 9 02:09 home
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Sep 19 16:41 proc
drwx------ 2 root root 4096 Sep 19 21:07 root
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Sep 19 16:41 sys
drwxrwxrwt 2 root root 4096 Sep 9 02:09 tmp
drwxr-xr-x 3 root root 4096 Sep 9 02:09 usr
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Sep 9 02:09 var
</code></pre>
<p>准备好镜像文件后，把我为你准备好的 gocker 代码下载下来吧，这里我使用手动下载源码的方式克隆代码：</p>
<pre><code>$ mkdir -p /go/src/github.com/wilhelmguo
$ cd /go/src/github.com/wilhelmguo &amp;&amp; git clone https://github.com/wilhelmguo/gocker.git
$ cd gocker
$ git checkout lesson-17
</code></pre>
<blockquote>
<p>我的 GOPATH 在 /go 目录下，如果你的 GOPATH 跟我不一致，请根据 GOPATH 存放和编译源码。本课时的源码存放在<a href="https://github.com/wilhelmguo/gocker/tree/lesson-17">这里</a>，你也可以在线阅读。</p>
</blockquote>
<p>代码下载完后，我们进入 gocker 的目录，查看下源码文件：</p>
<pre><code>$ tree .
.
|-- go.mod
|-- go.sum
|-- main.go
|-- README.md
|-- runc
| `-- run.go
`-- vendor
... 省略 vendor 目录结构
15 directories, 59 files
</code></pre>
<blockquote>
<p>本项目使用 go mod 管理包依赖，go mod 是在 golang 1.11 版本加入的新的特性，是用来管理包的依赖的，也是目前官方的包依赖管理工具。如果你想学习更多个 go mod 使用方法，可以参考<a href="https://golang.org/ref/mod">官网</a>。</p>
</blockquote>
<p>可以看到该源码下有两个主要文件：一个是 main.go 文件，这是 gocker 的主入口函数；另外一个是 run.go ，这个文件是 gocker run 命令的具体实现。</p>
<p>下面我们使用 go install 命令来编译一下我们的 gocker 项目：</p>
<pre><code>$ go install
</code></pre>
<p>执行完 go install 后， Golang 会自动帮助我们编译当前项目下的代码，编译后的二进制文件存放在 $GOPATH/bin 目录下。由于我们之前在 $HOME/.bashrc 文件下把 $GOPATH/bin 放入了系统 PATH 中，所以此时你可以直接使用 gocker 命令了。
接下来我们使用 gocker 来启动一个容器：</p>
<pre><code># gocker run -it -rootfs=/tmp/busybox /bin/sh
2020/09/19 23:46:27 Current path is /tmp/busybox
2020/09/19 23:46:27 CmdArray is [/bin/sh]
/ #
</code></pre>
<blockquote>
<p>如果出现 pivotRoot error pivot_root invalid argument 的报错，可以先执行 unshare -m 命令，然后使用 rm -rf /tmp/busybox/.pivot_root 命令删除临时文件，再次重试即可。</p>
</blockquote>
<p>这里我们使用 it 参数指定以命令行交互的模式启动容器，rootfs 指定准备好的镜像目录。执行完上面的命令后 busybox 容器就成功启动了。
这时候，我们使用 ps 命令查看一下当前进程信息：</p>
<pre><code>/ # /bin/ps -ef
PID USER TIME COMMAND
1 root 0:00 /bin/sh
5 root 0:00 /bin/ps -ef
</code></pre>
<p>此时，容器内的进程已经与主机完全隔离。
我们再查看一下当前目录下的内容：</p>
<pre><code>/ # pwd
/ # /bin/ls -l
total 1468
drwxr-xr-x 2 root root 12288 Sep 8 18:09 bin
-rw------- 1 root root 1455104 Sep 19 14:47 busybox.tar
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Sep 19 08:41 dev
drwxr-xr-x 3 root root 4096 Sep 19 08:41 etc
drwxr-xr-x 2 nobody nobody 4096 Sep 8 18:09 home
dr-xr-xr-x 122 root root 0 Sep 19 15:46 proc
drwx------ 2 root root 4096 Sep 19 13:07 root
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Sep 19 08:41 sys
drwxrwxrwt 2 root root 4096 Sep 8 18:09 tmp
drwxr-xr-x 3 root root 4096 Sep 8 18:09 usr
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Sep 8 18:09 var
</code></pre>
<p>可以看到当前目录已经为根目录，并且根目录下的文件就是我们上面准备的 busybox 镜像文件。
到此，一个完全由我们自己编写的 gocker 已经可以启动容器了。</p>
<h3>结语</h3>
<p>本课时我们讲解了 Golang 是什么, 并且配置好了 Golang 环境，编译了 gocker，也了解了 Linux /proc 文件系统的一些重要功能，最后使用 gocker 成功启动了一个 busybox 容器。</p>
<p>那么你知道，为什么 Docker 会选择使用 Golang 来开发吗？思考后，把你的想法写在留言区。</p>
<p>下一课时我将为你全面剖析 gocker 的源码以及它的实现原理，让你能够自己动手把它写出来，到时见。</p>
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