Docker容器镜像、Docker运行时用户空间和Linux内核之间的关系介绍_docker 启动的容器 内核

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一、引言

我们都知道，运行的容器就是一个独立的Linux进程，当通过docker run 指令运行一个Docker容器时，首先找到镜像文件，然后根据镜像的配置信息，创建一个新的运行时容器。

本文来详细分析一下镜像、容器和Linux系统之间的具体关系。

二、linux的内核空间、用户空间、rootfs

由于容器比较特殊，它既是一个特殊的Linux的进程，又保持封闭和独立。在分析之前，我们需要先总结一下linux的内核空间、用户空间、bootfs、rootfs的相关知识：

• Linux 操作系统由内核空间kernal 和 用户空间组成，用户空间不能直接访问内核空间；bootfs和rootfs则是两个不同的文件系统，rootfs本质上是用户内存空间的一部分，它可以映射到磁盘空间
• 内核是操作系统的核心，不同Linux的内核差别不大，内核空间负责管理系统的硬件和软件资源，控制着系统硬件和软件的运行。它提供了各种系统服务和资源管理功能，如进程管理、内存管理、设备驱动程序、文件系统等，内核空间由bootfs负责引导加载
• 用户空间是一个相对内核空间而言虚拟的概念，它指的是用户在使用计算机时所能看到的和操作的环境，包括Shell终端、文件系统、应用程序、系统库和配置文件等，是运行用户应用程序的环境，以及用户可以在其中进行文件和目录的创建、删除、修改等操作的空间。
• Bootfs（引导文件系统）b是存储在磁盘上的一个独立的文件系统，通常被置于磁盘的开头的扇区或分区，存储系统启动时需要的文件和数据，主要包含引导加载器和内核映像、启动参数、自定义启动脚本等，负责在系统启动时加载内核和引导参数等数据。在系统启动时，BIOS或UEFI会首先加载bootfs到内存中，并将控制权交给引导加载器，引导加载器再加载内核映像和启动参数等数据，以便系统能够正确地启动。一旦系统启动完成，bootfs就会被卸载，最终将控制权交给内核
• Rootfs（根文件系统）为系统的根文件系统，是一个最小化的内存文件系统，不依赖于硬盘上的文件系统，只包含运行Linux所必需的文件和目录，主要用于存储系统根目录下的文件和子目录、一些系统工具和备份数据，以及其他必需的资源和配置文件。例如/bin、/dev、/etc、/proc、/sys、/tmp和/var等目录
• Rootfs是用户空间的基础，在系统启动后，rootfs会被挂载到内存中的系统根目录下，将用户空间中的程序和数据加载到内存中，成为用户空间和内核空间之间的桥梁，以便用户空间能够正确地运行。因此rootfs是用户空间的基础，它提供了用户空间所需的文件和目录等资源，并与内核空间相互协作，共同维护着系统的稳定运行。不同 Linux 发行版的区别主要就是 rootfs。比如 Ubuntu 14.04 使用 upstart 管理服务，apt 管理软件包；而 CentOS 7 使用 systemd 和 yum。这些都是用户空间上的区别，Linux kernel 差别不大。所以 Docker 可以同时支持多种 Linux 镜像，模拟出多种操作系统环境。

三、Docker容器镜像、Docker运行时用户空间和Linux内核之间的关系

理解了kernal、rootfs、用户空间的概念和关系，我们再来介绍容器镜像、容器运行时的用户空间以及操作系统内核之间的关系：

• 由于不同发行版本的Linux内核差别不大，所有Docker容器运行时的底层都直接使用 Host 的 kernel，因此容器是复用宿主机的Linux内核，只要提供DOCKER运行时的用户空间
• 用户空间是构建在rootfs基础之上的，因此每个容器都有一个独立的rootfs文件系统
• 容器镜像就是为容器运行时提供rootfs，也就是说rootfs是构建在Docker镜像之上的

容器镜像确实是容器构建rootfs和用户空间的基础。容器复用了Linux内核，这意味所有容器共享内核，从而节省了空间。同时，容器的独立用户空间挂载的rootfs与Linux内核交互，这使得容器的镜像无需关注Linux内核的版本。

此外，容器通过提供镜像构建的rootfs和用户空间，保持了容器的独立性和安全性。每个容器都有自己的文件系统和用户空间，可以运行不同操作系统版本的rootfs和用户空间，而不会相互干扰。同时，由于容器与底层主机系统隔离，因此容器提供了一定程度的安全性。

四、小结

容器镜像是容器构建rootfs和用户空间的基础，容器是镜像的运行态。容器复用Linux内核，通过容器独立用户空间挂载的rootfs与Linux内核交互，这样既使得容器的镜像无需关注Linux内核的版本，又节省了空间，同时容器通过提供镜像构建的rootfs和用户空间又保持了容器的独立性和安全性。

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