11-组件组成：剖析 Docker 组件作用及其底层工作原理

在博客文章“ 核心概念：镜像、容器、仓库，彻底掌握 Docker 架构核心设计理念”里。我简单介绍了 Docker 架构的形成，相信你已经对 Docker 的架构有了一个整体的认知。这一讲我将带你深入剖析 Docker 的各个组件的作用及其底层的实现原理。

首先我们来回顾一下 Docker 的组件构成。

Docker 的组件构成

Docker 整体架构采用 C/S（客户端 / 服务器）模式，主要由客户端和服务端两大部分组成。客户端负责发送操作指令，服务端负责接收和处理指令。客户端和服务端通信有多种方式，即可以在同一台机器上通过UNIX套接字通信，也可以通过网络连接远程通信。

从整体架构可知，Docker 组件大体分为 Docker 相关组件，containerd 相关组件和容器运行时相关组件。下面我们深入剖析下各个组件。

Docker 组件剖析

Docker 到底有哪些组件呢？我们可以在 Docker 安装路径下执行 ls 命令，这样可以看到以下与 Docker 有关的组件。

-rwxr-xr-x 1 root root 27941976 Dec 12  2019 containerd
-rwxr-xr-x 1 root root  4964704 Dec 12  2019 containerd-shim
-rwxr-xr-x 1 root root 15678392 Dec 12  2019 ctr
-rwxr-xr-x 1 root root 50683148 Dec 12  2019 docker
-rwxr-xr-x 1 root root   764144 Dec 12  2019 docker-init
-rwxr-xr-x 1 root root  2837280 Dec 12  2019 docker-proxy
-rwxr-xr-x 1 root root 54320560 Dec 12  2019 dockerd
-rwxr-xr-x 1 root root  7522464 Dec 12  2019 runc

这些组件根据工作职责可以分为以下三大类。

1. Docker 相关的组件：docker、dockerd、docker-init 和 docker-proxy

2. containerd 相关的组件：containerd、containerd-shim 和 ctr

3. 容器运行时相关的组件：runc

下面我们就逐一了解。

Docker 相关的组件

（1）docker

docker 是 Docker 客户端的一个完整实现，它是一个二进制文件，对用户可见的操作形式为 docker 命令，通过 docker 命令可以完成所有的 Docker 客户端与服务端的通信（还可以通过 REST API、SDK 等多种形式与 Docker 服务端通信）。

Docker 客户端与服务端的交互过程是：docker 组件向服务端发送请求后，服务端根据请求执行具体的动作并将结果返回给 docker，docker 解析服务端的返回结果，并将结果通过命令行标准输出展示给用户。这样一次完整的客户端服务端请求就完成了。

（2）dockerd

dockerd 是 Docker 服务端的后台常驻进程，用来接收客户端发送的请求，执行具体的处理任务，处理完成后将结果返回给客户端。

Docker 客户端可以通过多种方式向 dockerd 发送请求，我们常用的 Docker 客户端与 dockerd 的交互方式有三种。

• 通过 UNIX 套接字与服务端通信：配置格式为unix://socket_path，默认 dockerd 生成的 socket 文件路径为 /var/run/docker.sock，该文件只有 root 用户或者 docker 用户组的用户才可以访问，这就是为什么 Docker 刚安装完成后只有 root 用户才能使用 docker 命令的原因。

• 通过 TCP 与服务端通信：配置格式为tcp://host:port，通过这种方式可以实现客户端远程连接服务端，但是在方便的同时也带有安全隐患，因此在生产环境中如果你要使用 TCP 的方式与 Docker 服务端通信，推荐使用 TLS 认证，可以通过设置 Docker 的 TLS 相关参数，来保证数据传输的安全。

• 通过文件描述符的方式与服务端通信：配置格式为：fd://这种格式一般用于 systemd 管理的系统中。

Docker 客户端和服务端的通信形式必须保持一致，否则将无法通信，只有当 dockerd 监听了 UNIX 套接字客户端才可以使用 UNIX 套接字的方式与服务端通信，UNIX 套接字也是 Docker 默认的通信方式，如果你想要通过远程的方式访问 dockerd，可以在 dockerd 启动的时候添加 -H 参数指定监听的 HOST 和 PORT。

（3）docker-init

如果你熟悉 Linux 系统，你应该知道在 Linux 系统中，1 号进程是 init 进程，是所有进程的父进程。主机上的进程出现问题时，init 进程可以帮我们回收这些问题进程。同样的，在容器内部，当我们自己的业务进程没有回收子进程的能力时，在执行 docker run 启动容器时可以添加 --init 参数，此时 Docker 会使用 docker-init 作为1号进程，帮你管理容器内子进程，例如回收僵尸进程等。

下面我们通过启动一个 busybox 容器来演示下：

$ docker run -it busybox sh
/ # ps aux
PID? ?USER? ? ?TIME? COMMAND
? ? 1 root? ? ? 0:00 sh
? ? 6 root? ? ? 0:00 ps aux
/ #

可以看到容器启动时如果没有添加 --init 参数，1 号进程就是 sh 进程。

我们使用 Crtl + D 退出当前容器，重新启动一个新的容器并添加 --init 参数，然后看下进程：

$ docker run -it --init busybox sh
/ # ps aux
PID? ?USER? ? ?TIME? COMMAND
? ? 1 root? ? ? 0:00 /sbin/docker-init -- sh
? ? 6 root? ? ? 0:00 sh
? ? 7 root? ? ? 0:00 ps aux

可以看到此时容器内的 1 号进程已经变为 /sbin/docker-init，而不再是 sh 了。

（4）docker-proxy

docker-proxy 主要是用来做端口映射的。当我们使用 docker run 命令启动容器时，如果使用了 -p 参数，docker-proxy 组件就会把容器内相应的端口映射到主机上来，底层是依赖于 iptables 实现的。

下面我们通过一个实例演示下。

使用以下命令启动一个 nginx 容器并把容器的 80 端口映射到主机的 8080 端口。

$ docker run --name=nginx -d -p 8080:80 nginx

然后通过以下命令查看一下启动的容器 IP：

$ docker inspect --format '{{ .NetworkSettings.IPAddress }}' nginx
172.17.0.2

可以看到，我们启动的 nginx 容器 IP 为 172.17.0.2。

此时，我们使用 ps 命令查看一下主机上是否有 docker-proxy 进程：

$ sudo ps aux |grep docker-proxy
root? ? ? 9100? 0.0? 0.0 290772? 9160 ?? ? ? ? Sl? ?07:48? ?0:00 /usr/bin/docker-proxy -proto tcp -host-ip 0.0.0.0 -host-port 8080 -container-ip 172.17.0.2 -container-port 80
root? ? ? 9192? 0.0? 0.0 112784? ?992 pts/0? ? S+? ?07:51? ?0:00 grep --color=auto docker-proxy

可以看到当我们启动一个容器时需要端口映射时， Docker 为我们创建了一个 docker-proxy 进程，并且通过参数把我们的容器 IP 和端口传递给 docker-proxy 进程，然后 docker-proxy 通过 iptables 实现了 nat 转发。

我们通过以下命令查看一下主机上 iptables nat 表的规则：

$  sudo iptables -L -nv -t nat
Chain PREROUTING (policy ACCEPT 35 packets, 2214 bytes)
?pkts bytes target? ? ?prot opt in? ? ?out? ? ?source? ? ? ? ? ? ? ?destination
? 398 21882 DOCKER? ? ?all? --? *? ? ? *? ? ? ?0.0.0.0/0? ? ? ? ? ? 0.0.0.0/0? ? ? ? ? ? ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain INPUT (policy ACCEPT 35 packets, 2214 bytes)
?pkts bytes target? ? ?prot opt in? ? ?out? ? ?source? ? ? ? ? ? ? ?destination

Chain OUTPUT (policy ACCEPT 1 packets, 76 bytes)
?pkts bytes target? ? ?prot opt in? ? ?out? ? ?source? ? ? ? ? ? ? ?destination
? ? 0? ? ?0 DOCKER? ? ?all? –? *? ? ? *? ? ? ?0.0.0.0/0? ? ? ? ? ?!127.0.0.0/8? ? ? ? ? ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT 1 packets, 76 bytes)
?pkts bytes target? ? ?prot opt in? ? ?out? ? ?source? ? ? ? ? ? ? ?destination
? ? 0? ? ?0 MASQUERADE? all? –? *? ? ? !docker0? 172.17.0.0/16? ? ? ? 0.0.0.0/0
? ? 0? ? ?0 MASQUERADE? tcp? –? *? ? ? *? ? ? ?172.17.0.2? ? ? ? ? ?172.17.0.2? ? ? ? ? ?tcp dpt:80

Chain DOCKER (2 references)
?pkts bytes target? ? ?prot opt in? ? ?out? ? ?source? ? ? ? ? ? ? ?destination
? ? 0? ? ?0 RETURN? ? ?all? –? docker0 *? ? ? ?0.0.0.0/0? ? ? ? ? ? 0.0.0.0/0
? ? 0? ? ?0 DNAT? ? ? ?tcp? –? !docker0 *? ? ? ?0.0.0.0/0? ? ? ? ? ? 0.0.0.0/0? ? ? ? ? ? tcp dpt:8080 to:172.17.0.2:80

通过最后一行规则我们可以得知，当我们访问主机的 8080 端口时，iptables 会把流量转发到 172.17.0.2 的 80 端口，从而实现了我们从主机上可以直接访问到容器内的业务。

我们通过 curl 命令访问一下 nginx 容器：

$ curl http://localhost:8080
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
? ? body {
? ? ? ? width: 35em;
? ? ? ? margin: 0 auto;
? ? ? ? font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
? ? }
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>

<p>For online documentation and support please refer to
<a href=“http://nginx.org/”>nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href=“http://nginx.com/”>nginx.com</a>.</p>

<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>

通过上面的输出可以得知我们已经成功访问到了 nginx 容器。

总体来说，docker 是官方实现的标准客户端，dockerd 是 Docker 服务端的入口，负责接收客户端发送的指令并返回相应结果，而 docker-init 在业务主进程没有进程回收功能时则十分有用，docker-proxy 组件则是实现 Docker 网络访问的重要组件。

了解完 docker 相关的组件，下面我来介绍下 containerd 相关的组件。

containerd 相关的组件

（1）containerd

containerd 组件是从 Docker 1.11 版本正式从 dockerd 中剥离出来的，它的诞生完全遵循 OCI 标准，是容器标准化后的产物。containerd 完全遵循了 OCI 标准，并且是完全社区化运营的，因此被容器界广泛采用。

containerd 不仅负责容器生命周期的管理，同时还负责一些其他的功能：

• 镜像的管理，例如容器运行前从镜像仓库拉取镜像到本地；

• 接收 dockerd 的请求，通过适当的参数调用 runc 启动容器；

• 管理存储相关资源；

• 管理网络相关资源。

containerd 包含一个后台常驻进程，默认的 socket 路径为 /run/containerd/containerd.sock，dockerd 通过 UNIX 套接字向 containerd 发送请求，containerd 接收到请求后负责执行相关的动作并把执行结果返回给 dockerd。

如果你不想使用 dockerd，也可以直接使用 containerd 来管理容器，由于 containerd 更加简单和轻量，生产环境中越来越多的人开始直接使用 containerd 来管理容器。

（2）containerd-shim

containerd-shim 的意思是垫片，类似于拧螺丝时夹在螺丝和螺母之间的垫片。containerd-shim 的主要作用是将 containerd 和真正的容器进程解耦，使用 containerd-shim 作为容器进程的父进程，从而实现重启 containerd 不影响已经启动的容器进程。

（3）ctr

ctr 实际上是 containerd-ctr，它是 containerd 的客户端，主要用来开发和调试，在没有 dockerd 的环境中，ctr 可以充当 docker 客户端的部分角色，直接向 containerd 守护进程发送操作容器的请求。

了解完 containerd 相关的组件，我们来了解一下容器的真正运行时 runc。

容器运行时组件runc

runc 是一个标准的 OCI 容器运行时的实现，它是一个命令行工具，可以直接用来创建和运行容器。

下面我们通过一个实例来演示一下 runc 的神奇之处。

第一步，准备容器运行时文件：进入 /home/centos 目录下，创建 runc 文件夹，并导入 busybox 镜像文件。

 $ cd /home/centos
 ## 创建 runc 运行根目录
 $ mkdir runc
 ## 导入 rootfs 镜像文件
 $ mkdir rootfs && docker export $(docker create busybox) | tar -C rootfs -xvf -

第二步，生成 runc config 文件。我们可以使用 runc spec 命令根据文件系统生成对应的 config.json 文件。命令如下：

$ runc spec

此时会在当前目录下生成 config.json 文件，我们可以使用 cat 命令查看一下 config.json 的内容：

$ cat config.json
{
	"ociVersion": "1.0.1-dev",
	"process": {
		"terminal": true,
		"user": {
			"uid": 0,
			"gid": 0
		},
		"args": [
			"sh"
		],
		"env": [
			"PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin",
			"TERM=xterm"
		],
		"cwd": "/",
		"capabilities": {
			"bounding": [
				"CAP_AUDIT_WRITE",
				"CAP_KILL",
				"CAP_NET_BIND_SERVICE"
			],
			"effective": [
				"CAP_AUDIT_WRITE",
				"CAP_KILL",
				"CAP_NET_BIND_SERVICE"
			],
			"inheritable": [
				"CAP_AUDIT_WRITE",
				"CAP_KILL",
				"CAP_NET_BIND_SERVICE"
			],
			"permitted": [
				"CAP_AUDIT_WRITE",
				"CAP_KILL",
				"CAP_NET_BIND_SERVICE"
			],
			"ambient": [
				"CAP_AUDIT_WRITE",
				"CAP_KILL",
				"CAP_NET_BIND_SERVICE"
			]
		},
		"rlimits": [
			{
				"type": "RLIMIT_NOFILE",
				"hard": 1024,
				"soft": 1024
			}
		],
		"noNewPrivileges": true
	},
	"root": {
		"path": "rootfs",
		"readonly": true
	},
	"hostname": "runc",
	"mounts": [
		{
			"destination": "/proc",
			"type": "proc",
			"source": "proc"
		},
		{
			"destination": "/dev",
			"type": "tmpfs",
			"source": "tmpfs",
			"options": [
				"nosuid",
				"strictatime",
				"mode=755",
				"size=65536k"
			]
		},
		{
			"destination": "/dev/pts",
			"type": "devpts",
			"source": "devpts",
			"options": [
				"nosuid",
				"noexec",
				"newinstance",
				"ptmxmode=0666",
				"mode=0620",
				"gid=5"
			]
		},
		{
			"destination": "/dev/shm",
			"type": "tmpfs",
			"source": "shm",
			"options": [
				"nosuid",
				"noexec",
				"nodev",
				"mode=1777",
				"size=65536k"
			]
		},
		{
			"destination": "/dev/mqueue",
			"type": "mqueue",
			"source": "mqueue",
			"options": [
				"nosuid",
				"noexec",
				"nodev"
			]
		},
		{
			"destination": "/sys",
			"type": "sysfs",
			"source": "sysfs",
			"options": [
				"nosuid",
				"noexec",
				"nodev",
				"ro"
			]
		},
		{
			"destination": "/sys/fs/cgroup",
			"type": "cgroup",
			"source": "cgroup",
			"options": [
				"nosuid",
				"noexec",
				"nodev",
				"relatime",
				"ro"
			]
		}
	],
	"linux": {
		"resources": {
			"devices": [
				{
					"allow": false,
					"access": "rwm"
				}
			]
		},
		"namespaces": [
			{
				"type": "pid"
			},
			{
				"type": "network"
			},
			{
				"type": "ipc"
			},
			{
				"type": "uts"
			},
			{
				"type": "mount"
			}
		],
		"maskedPaths": [
			"/proc/acpi",
			"/proc/asound",
			"/proc/kcore",
			"/proc/keys",
			"/proc/latency_stats",
			"/proc/timer_list",
			"/proc/timer_stats",
			"/proc/sched_debug",
			"/sys/firmware",
			"/proc/scsi"
		],
		"readonlyPaths": [
			"/proc/bus",
			"/proc/fs",
			"/proc/irq",
			"/proc/sys",
			"/proc/sysrq-trigger"
		]
	}
}

config.json 文件定义了 runc 启动容器时的一些配置，如根目录的路径，文件挂载路径等配置。
第三步，使用 runc 启动容器。我们可以使用 runc run 命令直接启动 busybox 容器。

$ runc run busybox
/ #

此时，我们已经创建并启动了一个 busybox 容器。

我们新打开一个命令行窗口，可以使用 run list 命令看到刚才启动的容器。

$ cd /home/centos/runc/
$ runc list
D? ? ? ? ? PID? ? ? ? ?STATUS? ? ? BUNDLE? ? ? ? ? ? ? CREATED? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OWNER
busybox? ? ?9778? ? ? ? running? ? ?/home/centos/runc? ?2020-09-06T09:25:32.441957273Z? ?root

通过上面的输出，我们可以看到，当前已经有一个 busybox 容器处于运行状态。

总体来说，Docker 的组件虽然很多，但每个组件都有自己清晰的工作职责，Docker 相关的组件负责发送和接受 Docker 请求，contianerd 相关的组件负责管理容器的生命周期，而 runc 负责真正意义上创建和启动容器。这些组件相互配合，才使得 Docker 顺利完成了容器的管理工作。

总结

到此，相信你已经完全掌握了 Docker 的组件构成，各个组件的作用和工作原理。本节课时的重点我帮你总结如下。

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