从零开始写 Docker(六)---实现 mydocker run -v 支持数据卷挂载

volume-by-bind-mount.png

本文为从零开始写 Docker 系列第六篇，实现类似 docker -v 的功能，通过挂载数据卷将容器中部分数据持久化到宿主机。

完整代码见：https://github.com/lixd/mydocker
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推荐阅读以下文章对 docker 基本实现有一个大致认识：

  • 核心原理：深入理解 Docker 核心原理：Namespace、Cgroups 和 Rootfs
  • 基于 namespace 的视图隔离：探索 Linux Namespace：Docker 隔离的神奇背后
  • 基于 cgroups 的资源限制
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    • Docker 与 Linux Cgroups：资源隔离的魔法之旅
  • 基于 overlayfs 的文件系统：Docker 魔法解密：探索 UnionFS 与 OverlayFS
  • 基于 veth pair、bridge、iptables 等等技术的 Docker 网络：揭秘 Docker 网络：手动实现 Docker 桥接网络

开发环境如下：

root@mydocker:~# lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 20.04.2 LTS
Release:	20.04
Codename:	focal
root@mydocker:~# uname -r
5.4.0-74-generic

注意：需要使用 root 用户

1. 概述

上一篇中基于 overlayfs 实现了容器和宿主机文件系统间的写操作隔离。但是一旦容器退出，容器可读写层的所有内容都会被删除。

那么，如果用户需要持久化容器里的部分数据该怎么办呢?

docker volume 就是用来解决这个问题的。

启动容器时通过-v参数创建 volume 即可实现数据持久化。

本节将会介绍如何实现将宿主机的目录作为数据卷挂载到容器中，并且在容器退出后，数据卷中的内容仍然能够保存在宿主机上。

具体实现主要依赖于 linux 的 bind mount 功能。

bind mount 是一种将一个目录或者文件系统挂载到另一个目录的技术。它允许你在文件系统层级中的不同位置共享相同的内容，而无需复制文件或数。

例如：

mount -o bind /source/directory /target/directory/

这样，/source/directory 中的内容将被挂载到 /target/directory，两者将共享相同的数据。对其中一个目录的更改也会反映到另一个目录。

基于该技术我们只需要将 volume 目录挂载到容器中即可，就像这样：

mount -o bind /host/directory /container/directory/

这样容器中往该目录里写的数据最终会共享到宿主机上，从而实现持久化。

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2. 实现

volume 功能大致实现步骤如下：

  • 1）run 命令增加 -v 参数,格式个 docker 一致
    • 例如 -v /etc/conf:/etc/conf 这样
  • 2）容器启动前，挂载 volume
    • 先准备目录，其次 mount overlayfs，最后 bind mount volume
  • 3）容器停止后，卸载 volume
    • 先 umount volume，其次 umount overlayfs，最后删除目录

注意：第三步需要先 umount volume ，然后再删除目录，否则由于 bind mount 存在，删除临时目录会导致 volume 目录中的数据丢失。

runCommand

首先在 runCommand 命令中添 -v flag，以接收 volume 参数。

var runCommand = cli.Command{
	Name: "run",
	Usage: `Create a container with namespace and cgroups limit
			mydocker run -it [command]`,
	Flags: []cli.Flag{
		cli.BoolFlag{
			Name:  "it", // 简单起见，这里把 -i 和 -t 参数合并成一个
			Usage: "enable tty",
		},
		cli.StringFlag{
			Name:  "mem", // 限制进程内存使用量，为了避免和 stress 命令的 -m 参数冲突 这里使用 -mem,到时候可以看下解决冲突的方法
			Usage: "memory limit,e.g.: -mem 100m",
		},
		cli.StringFlag{
			Name:  "cpu",
			Usage: "cpu quota,e.g.: -cpu 100", // 限制进程 cpu 使用率
		},
		cli.StringFlag{
			Name:  "cpuset",
			Usage: "cpuset limit,e.g.: -cpuset 2,4", // 限制进程 cpu 使用率
		},
		cli.StringFlag{ // 数据卷
			Name:  "v",
			Usage: "volume,e.g.: -v /ect/conf:/etc/conf",
		},
	},
	/*
		这里是run命令执行的真正函数。
		1.判断参数是否包含command
		2.获取用户指定的command
		3.调用Run function去准备启动容器:
	*/
	Action: func(context *cli.Context) error {
		if len(context.Args()) < 1 {
			return fmt.Errorf("missing container command")
		}

		var cmdArray []string
		for _, arg := range context.Args() {
			cmdArray = append(cmdArray, arg)
		}

		tty := context.Bool("it")
		resConf := &subsystems.ResourceConfig{
			MemoryLimit: context.String("mem"),
			CpuSet:      context.String("cpuset"),
			CpuCfsQuota: context.Int("cpu"),
		}
		log.Info("resConf:", resConf)
		volume := context.String("v")
		Run(tty, cmdArray, resConf, volume)
		return nil
	},
}

在 Run 函数中，把 volume 传给创建容器的 NewParentProcess 函数和删除容器文件系统的 DeleteWorkSpace 函数。

func Run(tty bool, comArray []string, res *subsystems.ResourceConfig, volume string) {
	parent, writePipe := container.NewParentProcess(tty, volume)
	if parent == nil {
		log.Errorf("New parent process error")
		return
	}
	if err := parent.Start(); err != nil {
		log.Errorf("Run parent.Start err:%v", err)
		return
	}
	// 创建cgroup manager, 并通过调用set和apply设置资源限制并使限制在容器上生效
	cgroupManager := cgroups.NewCgroupManager("mydocker-cgroup")
	defer cgroupManager.Destroy()
	_ = cgroupManager.Set(res)
	_ = cgroupManager.Apply(parent.Process.Pid, res)

	// 在子进程创建后才能通过pipe来发送参数
	sendInitCommand(comArray, writePipe)
	_ = parent.Wait()
	container.DeleteWorkSpace("/root/", volume)
}

NewWorkSpace

在原有创建过程最后增加 volume bind 逻辑：

  • 1）首先判断 volume 是否为空，如果为空，就表示用户并没有使用挂载参数，不做任何处理
  • 2）如果不为空，则使用 volumeUrlExtract 函数解析 volume 字符串，得到要挂载的宿主机目录和容器目录，并执行 bind mount
func NewWorkSpace(rootPath, volume string) {
	createLower(rootPath)
	createDirs(rootPath)
	mountOverlayFS(rootPath)

	// 如果指定了volume则还需要mount volume
	if volume != "" {
		mntPath := path.Join(rootPath, "merged")
		hostPath, containerPath, err := volumeExtract(volume)
		if err != nil {
			log.Errorf("extract volume failed，maybe volume parameter input is not correct，detail:%v", err)
			return
		}
		mountVolume(mntPath, hostPath, containerPath)
	}
}
volumeExtract

语法和 docker run -v 一致，两个路径通过冒号分隔。

// volumeExtract 通过冒号分割解析volume目录，比如 -v /tmp:/tmp
func volumeExtract(volume string) (sourcePath, destinationPath string, err error) {
	parts := strings.Split(volume, ":")
	if len(parts) != 2 {
		return "", "", fmt.Errorf("invalid volume [%s], must split by `:`", volume)
	}

	sourcePath, destinationPath = parts[0], parts[1]
	if sourcePath == "" || destinationPath == "" {
		return "", "", fmt.Errorf("invalid volume [%s], path can't be empty", volume)
	}

	return sourcePath, destinationPath, nil
}
mountVolume

挂载数据卷的过程如下。

  • 1）首先，创建宿主机文件目录
  • 2）然后，拼接处容器目录在宿主机上的真正目录，格式为：$mntPath/$containerPath
    • 因为之前使用了 pivotRoot 将$mntPath 作为容器 rootfs，因此这里的容器目录也可以按层级拼接最终找到在宿主机上的位置。
  • 3）最后，执行 bind mount 操作，至此对数据卷的处理也就完成了。
// mountVolume 使用 bind mount 挂载 volume
func mountVolume(mntPath, hostPath, containerPath string) {
	// 创建宿主机目录
	if err := os.Mkdir(hostPath, constant.Perm0777); err != nil {
		log.Infof("mkdir parent dir %s error. %v", hostPath, err)
	}
	// 拼接出对应的容器目录在宿主机上的的位置，并创建对应目录
	containerPathInHost := path.Join(mntPath, containerPath)
	if err := os.Mkdir(containerPathInHost, constant.Perm0777); err != nil {
		log.Infof("mkdir container dir %s error. %v", containerPathInHost, err)
	}
	// 通过bind mount 将宿主机目录挂载到容器目录
	// mount -o bind /hostPath /containerPath
	cmd := exec.Command("mount", "-o", "bind", hostPath, containerPathInHost)
	cmd.Stdout = os.Stdout
	cmd.Stderr = os.Stderr
	if err := cmd.Run(); err != nil {
		log.Errorf("mount volume failed. %v", err)
	}
}

DeleteWorkSpace

删除容器文件系统时，先判断是否挂载了 volume，如果挂载了则删除时则需要先 umount volume。

注意：一定要要先 umount volume ，然后再删除目录，否则由于 bind mount 存在，删除临时目录会导致 volume 目录中的数据丢失。

func DeleteWorkSpace(rootPath, volume string) {
	mntPath := path.Join(rootPath, "merged")

	// 如果指定了volume则需要umount volume
	// NOTE: 一定要要先 umount volume ，然后再删除目录，否则由于 bind mount 存在，删除临时目录会导致 volume 目录中的数据丢失。
	if volume != "" {
		_, containerPath, err := volumeExtract(volume)
		if err != nil {
			log.Errorf("extract volume failed，maybe volume parameter input is not correct，detail:%v", err)
			return
		}
		umountVolume(mntPath, containerPath)
	}

	umountOverlayFS(mntPath)
	deleteDirs(rootPath)
}
umountVolume

和普通 umount 一致

func umountVolume(mntPath, containerPath string) {
	// mntPath 为容器在宿主机上的挂载点，例如 /root/merged
	// containerPath 为 volume 在容器中对应的目录，例如 /root/tmp
	// containerPathInHost 则是容器中目录在宿主机上的具体位置，例如 /root/merged/root/tmp
	containerPathInHost := path.Join(mntPath, containerPath)
	cmd := exec.Command("umount", containerPathInHost)
	cmd.Stdout = os.Stdout
	cmd.Stderr = os.Stderr
	if err := cmd.Run(); err != nil {
		log.Errorf("Umount volume failed. %v", err)
	}
}

3.测试

下面来验证一下程序的正确性。

挂载不存在的目录

第一个实验是把一个宿主机上不存在的文件目录挂载到容器中。

首先还是要在 root 目录准备好 busybox.tar,作为我们的镜像只读层。

$ ls
busybox.tar

启动容器，把宿主机的 /root/volume 挂载到容器的 /tmp 目录下。

root@mydocker:~/feat-volume/mydocker# ./mydocker run -it -v /root/volume:/tmp /bin/sh
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"busybox:/root/busybox busybox.tar:/root/busybox.tar","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/root/busybox,upperdir=/root/upper,workdir=/root/work /root/merged]","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"mkdir parent dir /root/volume error. mkdir /root/volume: file exists","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"mkdir container dir /root/merged//tmp error. mkdir /root/merged//tmp: file exists","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is /bin/sh","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"init come on","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"Current location is /root/merged","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}
{"level":"info","msg":"Find path /bin/sh","time":"2024-01-18T16:47:29+08:00"}

新开一个窗口，查看宿主机 /root 目录：

root@DESKTOP-9K4GB6E:~# ls
busybox  busybox.tar  merged  upper  volume  work

多了几个目录，其中 volume 就是我们启动容器是指定的 volume 在宿主机上的位置。

同样的，容器中也多了 containerVolume 目录：

/ # ls
bin              dev              home             root             tmp              var
containerVolume  etc              proc             sys              usr

现在往 /tmp 目录写入一个文件

/ # echo KubeExplorer > tmp/hello.txt
/ # ls /tmp
hello.txt
/ # cat /tmp/hello.txt
KubeExplorer

然后查看宿主机的 volume 目录：

root@mydocker:~# ls /root/volume/
hello.txt
root@mydocker:~# cat /root/volume/hello.txt
KubeExplorer

可以看到，文件也在。

然后测试退出容器后是否能持久化。

退出容器：

/ # exit

宿主机中再次查看 volume 目录：

root@mydocker:~# ls /root/volume/
hello.txt

文件还在，说明我们的 volume 功能是正常的。

挂载已经存在目录

第二次实验是测试挂载一个已经存在的目录，这里就把刚才创建的 volume 目录再挂载一次：

root@mydocker:~/feat-volume/mydocker# ./mydocker run -it -v /root/volume:/tmp /bin/sh
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"busybox:/root/busybox busybox.tar:/root/busybox.tar","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/root/busybox,upperdir=/root/upper,workdir=/root/work /root/merged]","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"mkdir parent dir /root/volume error. mkdir /root/volume: file exists","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"mkdir container dir /root/merged//tmp error. mkdir /root/merged//tmp: file exists","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is /bin/sh","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"init come on","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"Current location is /root/merged","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"Find path /bin/sh","time":"2024-01-18T17:02:48+08:00"}

查看刚才的文件是否存在

/ # ls /tmp/hello.txt
/tmp/hello.txt
/ # cat /tmp/hello.txt
KubeExplorer

还在，说明目录确实挂载进去了。

接下来更新文件内容并退出:

/ # echo KubeExplorer222 > /tmp/hello.txt
/ # cat /tmp/hello.txt
KubeExplorer222
/ # exit

在宿主机上查看：

root@mydocker:~# cat /root/volume/hello.txt
KubeExplorer222

至此，说明我们的 volume 功能是正常的。

4. 小结

本篇记录了如何实现 mydocker run -v 参数，增加 volume 以实现容器中部分数据持久化。

一些比较重要的点：

首先要理解 linux 中的 bind mount 功能。

bind mount 是一种将一个目录或者文件系统挂载到另一个目录的技术。它允许你在文件系统层级中的不同位置共享相同的内容，而无需复制文件或数。

其次，则是要理解宿主机目录和容器目录之间的关联关系。

以 -v /root/volume:/tmp 参数为例：

  • 1）按照语法，-v /root/volume:/tmp 就是将宿主机/root/volume 挂载到容器中的 /tmp 目录。

  • 2）由于前面使用了 pivotRoot 将 /root/merged 目录作为容器的 rootfs，因此，容器中的根目录实际上就是宿主机上的 /root/merged 目录

    • 第四篇：

  • 3）那么容器中的 /tmp目录就是宿主机上的 /root/merged/tmp 目录。

  • 4）因此，我们只需要将宿主机/root/volume 目录挂载到宿主机的 /root/merged/tmp 目录即可实现 volume 挂载。

在清楚这两部分内容后，整体实现就比较容易理解了。

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完整代码见：https://github.com/lixd/mydocker
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相关代码见 feat-volume 分支,测试脚本如下：

需要提前在 /root 目录准备好 busybox.tar 文件，具体见第四篇第二节。

# 克隆代码
git clone -b feat-volume https://github.com/lixd/mydocker.git
cd mydocker
# 拉取依赖并编译
go mod tidy
go build .
# 测试 查看文件系统是否变化
./mydocker run -it  /bin/ls
./mydocker run -it -v /root/volume:/tmp /bin/sh

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