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从虚拟机使用角度看docker容器实现
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<p>本文旨在从虚拟机使用的角度对照着理解docker容器的实现。<br>容器化技术也是属于虚拟化的一种，虚拟机的虚拟化不管技术如何实现，使用者角度体验都是类似。</p>
<h4 id="namespace和cgroups"><a href="#namespace和cgroups" class="headerlink" title="namespace和cgroups"></a>namespace和cgroups</h4><p>namespace的隔离机制是虚拟化的基础，Linux在chroot的基础上提供了对UTS、IPC、mount、PID、network、User等隔离机制。而cgroups在隔离的基础上，提供了资源的限制和控制功能。<br>这些基础技术的文章已经有很多，推荐看下左耳朵耗子的，本文只希望从稍微大点的层面把这些概念串起来。</p>
<hr>
<p>当我们希望虚拟出一个貌似独立的操作系统环境时，都需要哪方面的虚拟化，以及在容器里如何实现的？</p>
<p><img src="images/1563537073737.jpg" alt=""></p>
<h5 id="独立的用户系统"><a href="#独立的用户系统" class="headerlink" title="独立的用户系统"></a>独立的用户系统</h5><p>登录该操作系统需要一个用户，那么不管是root还是非root，都需要一套独立的用户系统。<br>User namespace可以提供该功能，容器内的用户和外部不会冲突。</p>
<h5 id="独立的主机名"><a href="#独立的主机名" class="headerlink" title="独立的主机名"></a>独立的主机名</h5><p>UTS namespace可以提供该隔离功能。</p>
<h5 id="独立的进程树"><a href="#独立的进程树" class="headerlink" title="独立的进程树"></a>独立的进程树</h5><p>PID namespace可以提供该隔离功能。</p>
<h5 id="IPC通信"><a href="#IPC通信" class="headerlink" title="IPC通信"></a>IPC通信</h5><p>IPC namespace可以提供该隔离功能。</p>
<h5 id="独立的文件系统，可以从镜像启动"><a href="#独立的文件系统，可以从镜像启动" class="headerlink" title="独立的文件系统，可以从镜像启动"></a>独立的文件系统，可以从镜像启动</h5><p>典型的Linux文件系统由bootfs和rootfs组成，bootfs(boot file system)主要包含 bootloader和kernel，bootloader主要是引导加载kernel，当kernel被加载到内存中后 bootfs就被umount了。rootfs (root file system) 包含的就是典型 Linux 系统中的/dev，/proc，/bin，/etc等标准目录和文件。</p>
<p>Mount namespace可以提供该隔离功能（类似于chroot命令），而在docker里用这个功能挂载rootfs，并且和AUFS(也可以是其他的Union 文件系统)一起使用。各种容器里运行的进程不一定需要这么多系统目录，在docker里把原本linux文件系统里的rootfs分为多份，使用AUFS的union mount技术一层一层组合起来，组成read only层，最上层则有write权限，可以由容器中允许的进程修改。</p>
<p>linux镜像的内容和其文件系统一致，有bootfs和rootfs，而docker有自己的启动方式，所以上面的readonly层和readwrite层组合起来就是最终的docker镜像。</p>
<p><img src="images/1563537213621.jpg" alt=""></p>
<h5 id="独立的网络"><a href="#独立的网络" class="headerlink" title="独立的网络"></a>独立的网络</h5><p>和宿主机隔离开，有自己的网络设备和网段。</p>
<p>Network namespace可以提供该隔离功能，网络设备在两个namespace之间是互相看不到的。但也只是隔离，虚拟机中的网络设备模拟正常的linux系统，有许多默认的比如lo设备，还有自己的网卡设备，docker都可以模拟出来。</p>
<p>docker有多种网络模式，这里只用下图说明下bridge网络模式。</p>
<p>docker的namespace内创建一个网卡设备,宿主机创建一个bridge设备，通过veth pair讲两者连接起来，则成功将两个network namespace的设备连通。</p>
<p><img src="images/1563537385477.jpg" alt=""></p>
<h5 id="网络也有自己的安全机制，可以控制数据的进出"><a href="#网络也有自己的安全机制，可以控制数据的进出" class="headerlink" title="网络也有自己的安全机制，可以控制数据的进出"></a>网络也有自己的安全机制，可以控制数据的进出</h5><p>有了上面的模拟网络的基础，则可以通过宿主机的iptables来控制网络数据。</p>
<h5 id="资源限制"><a href="#资源限制" class="headerlink" title="资源限制"></a>资源限制</h5><p>上述隔离算是对环境的隔离，以及对linux环境的模拟，在实际使用中还要有对资源的隔离，这时cgroups派上用场，可以对CPU、memory等资源的使用加以限制或控制。</p>
<hr>
<p>上面讲了可以用来做容器虚拟化的各种系统功能，但是这一切功能在具体实现中都需要一个起点，这个起点就是开启一个新的进程。</p>
<p>各种namespace的使用在具体代码实现中，都是fork一个新的进程过程中，使用不同的系统调用或选项参数组合，来决定这个新的进程进行哪些环境的隔离。比如说network namespace，可以控制容器启动时可以和宿主机处于同一个network namespace下，这种就是docker的host网络模式，可以宿主机直连。</p>
<p>启动的新进程在docker容器里就是dockerinit进程，该进程做一些初始化工作，使用cgroups对资源使用做限制，或者创建容器的network namespace下的网络设备等等，最后则会执行entrypoint或者用户定义的CMD应用程序（Dockerfile中的CMD）。</p>
<p>如下图，所有的这些工作都是在同一个进程下进行的，一般情况下，一个容器就是一个进程。</p>
<p><img src="images/1563537478197.jpg" alt=""></p>
<blockquote>
<p>参考文章<br>《Docker源码分析》<br><a href="https://coolshell.cn/articles/17010.html" target="_blank" rel="noopener">https://coolshell.cn/articles/17010.html</a><br><a href="https://coolshell.cn/articles/17029.html" target="_blank" rel="noopener">https://coolshell.cn/articles/17029.html</a><br><a href="https://coolshell.cn/articles/17049.html" target="_blank" rel="noopener">https://coolshell.cn/articles/17049.html</a></p>
</blockquote>
</div>
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<a class="post-title-link" href="/2019/01/04/数据库锁/" itemprop="url">
数据库锁
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<time title="Created: 2019-01-04 18:47:51" itemprop="dateCreated datePublished" datetime="2019-01-04T18:47:51+08:00">2019-01-04</time>
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<time title="Modified: 2019-07-19 20:53:32" itemprop="dateModified" datetime="2019-07-19T20:53:32+08:00">2019-07-19</time>
</span>
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<h3 id="数据库锁"><a href="#数据库锁" class="headerlink" title="数据库锁"></a>数据库锁</h3><h4 id="全局锁"><a href="#全局锁" class="headerlink" title="全局锁"></a>全局锁</h4><figure class="highlight plain"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">flush table with read lock</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>全局锁：对整个数据库实例加锁，MySQL提供一个加全局锁的方法：Flush tables with read lock(FTWRL)，这条语句可以让数据库处于只读状态，所有的写操作将被堵塞；全局锁的典型应用场景就是做全库的逻辑备份，即是把整个库 数据查询出来，保存为文本；</p>
<h4 id="表级锁"><a href="#表级锁" class="headerlink" title="表级锁"></a>表级锁</h4><ul>
<li>表锁 locktables table_name read/write</li>
<li>元数据锁 meta data link, MDL</li>
</ul>
<p>表级锁：一种是表锁，另一种是元数据锁(meta data lock，MDL锁)；表锁，在修改表、或者显示加锁会出现，元数据锁，在事务开始时候加上，是为了保证在并发的情况下，结构变更的一致性，也就是说，事务开始时候，要去做改表操作，必须等待这个事务完成，会堵塞DDL操作。</p>
<h3 id="行锁-record-lock"><a href="#行锁-record-lock" class="headerlink" title="行锁 record lock"></a>行锁 record lock</h3><p>对包含索引列做操作时会产生，在并发的系统下，行锁是不可缺少的，但是行锁在提高并发性的同时，又会带来一些性能问题<br>行锁： 开销大，加锁慢；会出现死锁；锁定粒度小，发生锁冲突的概率低，并发度高</p>
<hr>
<p>如何避免？减少锁争用，程序中尽可能使用自动提交，短事务</p>
<p><img src="images/1546585163367.jpg" alt=""></p>
<ul>
<li>Innodb_row_lock_current_waits：当前等待锁的数量 </li>
<li>Innodb_row_lock_time：系统启动到现在、锁定的总时间长度 </li>
<li>Innodb_row_lock_time_avg：每次平均锁定的时间 I</li>
<li>nnodb_row_lock_time_max：最长一次锁定时间 </li>
<li>Innodb_row_lock_waits：系统启动到现在、总共锁定次数</li>
</ul>
<h5 id="减少锁争用"><a href="#减少锁争用" class="headerlink" title="减少锁争用"></a>减少锁争用</h5><ul>
<li>尽可能让所有的数据检索都通过索引来完成，避免Innodb因为无法通过索引键加锁而升级为表级锁定</li>
<li>合理设计索引，让Innodb在索引键上面加锁尽可能准确，缩小锁定范围，避免造成不必要的锁定而影响其他Query的执行</li>
<li>尽可能减少基于范围的数据检索过滤条件，避免间隙锁带来的负面影响而锁定了不该锁定的记录</li>
<li>尽量控制事务的大小，减少锁定的资源量和锁定时间长度</li>
<li>在业务环境允许的情况下，尽量使用较低级别的事务隔离，以减少MySQL因为实现事务隔离级别所带来的附加成本</li>
</ul>
<h5 id="死锁避免"><a href="#死锁避免" class="headerlink" title="死锁避免"></a>死锁避免</h5><ul>
<li>同类的业务模块中，尽可能按照相同的访问顺序来访问，防止产生死锁 </li>
<li>在同一个事务中，尽可能做到一次锁定所需要的所有资源，减少死锁产生概率</li>
</ul>
<blockquote>
<p>对于非常容易产生死锁的业务部分，可以尝试使用升级锁定颗粒度，通过表级锁定来减少死锁产生的概率</p>
</blockquote>
<h4 id="GAP锁-间隙锁"><a href="#GAP锁-间隙锁" class="headerlink" title="GAP锁 间隙锁"></a>GAP锁 间隙锁</h4><p>特点：锁定一个范围，但不包括记录本身<br>作用：为了防止同一事务的两次当前读，出现幻读的情况</p>
<p>在可重复读隔离级别下，为了防止幻读，会对某行数据的前后添加间隙锁，不包含某行数据本身</p>
<p>行锁和间隙锁合成为<code>next-key lock</code></p>
</div>
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<a class="post-title-link" href="/2019/01/04/数据库日常使用优化/" itemprop="url">
数据库日常使用优化
</a>
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<time title="Created: 2019-01-04 10:37:14" itemprop="dateCreated datePublished" datetime="2019-01-04T10:37:14+08:00">2019-01-04</time>
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<time title="Modified: 2019-07-19 20:44:45" itemprop="dateModified" datetime="2019-07-19T20:44:45+08:00">2019-07-19</time>
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<h2 id="大表操作"><a href="#大表操作" class="headerlink" title="大表操作"></a>大表操作</h2><p>在数据量特别少的时候，如何操作都不会影响数据库的使用。但是当表的数据量特别大时，就要万分注意，任何操作可能对数据库服务造成的阻塞都要考虑到。</p>
<h5 id="删除大表"><a href="#删除大表" class="headerlink" title="删除大表"></a>删除大表</h5><p>如果想删除一张有十几亿条数据的大表，不能直接<code>drop table</code>，因为有可能内存缓冲池里也有该表数据，删除表会去遍历内存缓冲区。会导致内存缓冲区被锁住，以至于整个服务hang住，所有读写都会被堵塞。并且从磁盘中删除几百G的大文件，磁盘IO也会瞬间打满，会对性能造成很大影响。比较安全的操作就是批量的删除数据，最后再drop回收空间。</p>
<h5 id="在线DDL"><a href="#在线DDL" class="headerlink" title="在线DDL"></a>在线DDL</h5><p>线上环境的DDL一般会用到一些专用的工具，避免直接执行造成服务使用异常。</p>
<h6 id="Mysql5-5的DDL工具"><a href="#Mysql5-5的DDL工具" class="headerlink" title="Mysql5.5的DDL工具"></a>Mysql5.5的DDL工具</h6><p><img src="images/1546573799696.jpg" alt=""></p>
<p>copy数据的过长需要耗费额外的存储空间，并且执行过程耗时较长。copy数据过程中有锁，堵塞了写操作</p>
<h6 id="mysql5-6、5-7原生Online-DDL"><a href="#mysql5-6、5-7原生Online-DDL" class="headerlink" title="mysql5.6、5.7原生Online-DDL"></a>mysql5.6、5.7原生Online-DDL</h6><p>MYSQL 5.6之后，支持更多的<code>ALTER TABLE</code>类型避免<code>copy data</code>操作，并且支持在DDL的过程中不阻塞DML操作，即实现ONLINE特性。</p>
<p><img src="images/1546574063527.jpg" alt=""></p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">ALTER TABLE TABLE_NAME ADD COLUMN _new_column ALGORITHM = inplace, LOCK = default;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>ALGORITHM选项</p>
<ul>
<li>INPLACE</li>
<li>COPY</li>
<li>DEFAULT</li>
</ul>
<p>LOCK选项 </p>
<ul>
<li>NONE</li>
<li>SHARED</li>
<li>DEFAULT</li>
<li>EXCLUISIVE</li>
</ul>
<p><img src="images/1546574280400.jpg" alt=""></p>
<ul>
<li>仍然存在排他锁，有锁等待的风险。</li>
<li>跟5.6一样，增量日志大小是有限制的，由innodb_online_alter_log_max_size参数决定大小</li>
<li>有可能造成主从延迟</li>
<li>无法暂停，只能中断</li>
</ul>
<h6 id="pt-online-schema-change"><a href="#pt-online-schema-change" class="headerlink" title="pt-online-schema-change"></a>pt-online-schema-change</h6><p>整个过程，只有第五步的时候会进行锁表，阻塞服务，时间极短</p>
<p><img src="images/1546582003025.jpg" alt=""></p>
<h6 id="Online-DDL与PT-OSC对比"><a href="#Online-DDL与PT-OSC对比" class="headerlink" title="Online DDL与PT-OSC对比"></a>Online DDL与PT-OSC对比</h6><p><img src="images/1546582705500.jpg" alt=""></p>
<ul>
<li>1.原表不能存在触发器。</li>
<li>2.原表必须存在主键 PRIMARY KEY 或者 UNIQUE KEY</li>
<li>3.外键的处理需要指定 alter-foreign-keys-method 参数，存在风险</li>
<li>4.在 pt-osc 的执行过程中，如果有对主键的更新操作则会出现重复的数据</li>
</ul>
</div>
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</footer>
</div>
</article>
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<link itemprop="mainEntityOfPage" href="http://yoursite.com/2018/05/07/k8s里的pause镜像/">
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<a class="post-title-link" href="/2018/05/07/k8s里的pause镜像/" itemprop="url">
k8s里的pause镜像
</a>
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<span class="post-meta-item-text">Posted on</span>
<time title="Created: 2018-05-07 20:20:30 / Modified: 20:23:41" itemprop="dateCreated datePublished" datetime="2018-05-07T20:20:30+08:00">2018-05-07</time>
</span>
</div>
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<div class="post-body" itemprop="articleBody">
<p>在kubernetes的Pod启动时，会有一个叫做pause的容器先启动，然后才会轮到有真正服务的pod容器启动。这个pod的作用是什么呢？</p>
<p>pause容器的Dockerfile的内容很少</p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">FROM scratch</span><br><span class="line">ARG ARCH</span><br><span class="line">ADD bin/pause-${ARCH} /pause</span><br><span class="line">ENTRYPOINT ["/pause"]</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>可以看到，这里就启动了一个pause程序，再来看下pause程序</p>
<p><a href="https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/build/pause/pause.c" target="_blank" rel="noopener">https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/build/pause/pause.c</a></p>
<p>只看main函数里的几行代码</p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">if (sigaction(SIGINT, &(struct sigaction){.sa_handler = sigdown}, NULL) < 0)</span><br><span class="line"> return 1;</span><br><span class="line">if (sigaction(SIGTERM, &(struct sigaction){.sa_handler = sigdown}, NULL) < 0)</span><br><span class="line"> return 2;</span><br><span class="line">if (sigaction(SIGCHLD, &(struct sigaction){.sa_handler = sigreap,</span><br><span class="line"> .sa_flags = SA_NOCLDSTOP}, NULL) < 0)</span><br><span class="line"> return 3;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">for (;;)</span><br><span class="line"> pause();</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>sigaction函数指定本程序在接收到SIGINT, SIGTERM, SIGCHLD信号之后做什么处理。<br>设置完后就会通过pause()暂停本进程，一直等待信号，而信号到来后仍然继续循环等待，所以该进程只能通过接收信号后，从信号处理函数里退出了。</p>
<p>信号处理函数就sigdown和sigreap两个函数。</p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">static void sigdown(int signo) {</span><br><span class="line"> psignal(signo, "Shutting down, got signal");</span><br><span class="line"> exit(0);</span><br><span class="line">}</span><br><span class="line"></span><br><span class="line">static void sigreap(int signo) {</span><br><span class="line"> while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0)</span><br><span class="line"> ;</span><br><span class="line">}</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>结合上面的代码可以看到，进程终止的信号SIGINT, SIGTERM，就是调用psignal输出了信号信息，然后就退出了。集合main函数里的逻辑，pause进程只能从这两个信号退出。</p>
<p>SIGCHLD信号的处理比较特殊。</p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0)</span><br><span class="line"> ;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>这段代码，一般用父进程有多个子进程时使用，让父进程等待子进程结束。这样做可以防止产生僵尸进程。</p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">进程可以使用fork和exec syscalls启动其他进程。当启动了其他进程，新进程的父进程就是调用fork syscall的进程。fork用于启动正在运行的进程的另一个副本，而exec则用于启动不同的进程。每个进程在OS进程表中都有一个条目。这将记录有关进程的状态和退出代码。当子进程运行完成，它的进程表条目仍然将保留直到父进程使用wait syscall检索其退出代码将其退出。这被称为“收割”僵尸进程。</span><br><span class="line">僵尸进程是已停止运行但进程表条目仍然存在的进程，因为父进程尚未通过wait syscall进行检索。从技术层面来说，终止的每个进程都算是一个僵尸进程，尽管只是在很短的时间内发生的，但只要不终止他们就可以存活更久。</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>总结下，pause进程启动后，也就干了两件事</p>
<ul>
<li>重复循环等待信号，只有SIGTERM和SIGINT时才会退出进程</li>
<li>负责回收僵尸子进程</li>
</ul>
<p>在Kubernetes中，pause容器的功能会有所扩展</p>
<ul>
<li>pause容器在创建pod时第一个启动，创建的命名空间作为基础和pod中的其他容器共享</li>
<li>pause容器在PID namespace中是PID为1的init进程，也是Pod中其他容器的父进程，负责回收pod内的僵尸子进程</li>
</ul>
<p>如果不使用pause容器呢，一个是命名空间并不好统一管理，一个是容器将会只能自己收集僵尸进程本身，这对内存会是一个隐患。</p>
<p><img src="images/80C0C662-1BB9-4FD3-A943-91ABE65E5B0B.png" alt=""></p>
<p>参考文章：<br><a href="https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/pods/pod/" target="_blank" rel="noopener">https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/pods/pod/</a><br><a href="http://dockone.io/article/2785" target="_blank" rel="noopener">http://dockone.io/article/2785</a><br><a href="http://dockone.io/article/2682" target="_blank" rel="noopener">http://dockone.io/article/2682</a></p>
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