Docker源码分析(三):Docker Daemon启动

【摘要】
【Docker源码分析(三):Docker Daemon启动】Docker作为业界备受推崇的轻量级虚拟化容器管理引擎,其强大的后台能力全凭Docker Daemon。本文从源码出发,介绍了Docker Daemon的启动流程,并深入分析启动流程中每一步骤的实现细节。Docker的运行真可谓,载体为daemon,调度管理由engine,任务执行靠job。

1 前言

Docker诞生以来,便引领了轻量级虚拟化容器领域的技术热潮。在这一潮流下,Google、IBM、Redhat等业界翘楚纷纷加入Docker阵营。虽然目前Docker仍然主要基于Linux平台,但是Microsoft却多次宣布对Docker的支持,从先前宣布的Azure支持Docker与Kubernetes,到如今宣布的下一代Windows Server原生态支持Docker。Microsoft的这一系列举措多少喻示着向Linux世界的妥协,当然这也不得不让世人对Docker的巨大影响力有重新的认识。

Docker的影响力不言而喻,但如果需要深入学习Docker的内部实现,笔者认为最重要的是理解Docker Daemon。在Docker架构中,Docker Client通过特定的协议与Docker Daemon进行通信,而Docker Daemon主要承载了Docker运行过程中的大部分工作。本文即为《Docker源码分析》系列的第三篇­——Docker Daemon篇。

2 Docker Daemon简介

Docker Daemon是Docker架构中运行在后台的守护进程,大致可以分为Docker Server、Engine和Job三部分。Docker Daemon可以认为是通过Docker Server模块接受Docker Client的请求,并在Engine中处理请求,然后根据请求类型,创建出指定的Job并运行,运行过程的作用有以下几种可能:向Docker Registry获取镜像,通过graphdriver执行容器镜像的本地化操作,通过networkdriver执行容器网络环境的配置,通过execdriver执行容器内部运行的执行工作等。

以下为Docker Daemon的架构示意图:

docker-3-1
3 Docker Daemon源码分析内容安排

本文从源码的角度,主要分析Docker Daemon的启动流程。由于Docker Daemon和Docker Client的启动流程有很大的相似之处,故在介绍启动流程之后,本文着重分析启动流程中最为重要的环节:创建daemon过程中mainDaemon()的实现。

4 Docker Daemon的启动流程

由于Docker Daemon和Docker Client的启动都是通过可执行文件docker来完成的,因此两者的启动流程非常相似。Docker可执行文件运行时,运行代码通过不同的命令行flag参数,区分两者,并最终运行两者各自相应的部分。

启动Docker Daemon时,一般可以使用以下命令:docker –daemon=true; docker –d; docker –d=true等。接着由docker的main()函数来解析以上命令的相应flag参数,并最终完成Docker Daemon的启动。

首先,附上Docker Daemon的启动流程图:

docker-3-2
由于《Docker源码分析》系列之Docker Client篇中,已经涉及了关于Docker中main()函数运行的很多前续工作(可参见Docker Client篇),并且Docker Daemon的启动也会涉及这些工作,故本文略去相同部分,而主要针对后续仅和Docker Daemon相关的内容进行深入分析,即mainDaemon()的具体源码实现。

5 mainDaemon( )的具体实现

通过Docker Daemon的流程图,可以得出一个这样的结论:有关Docker Daemon的所有的工作,都被包含在mainDaemon()方法的实现中。

宏观来讲,mainDaemon()完成创建一个daemon进程,并使其正常运行。

从功能的角度来说,mainDaemon()实现了两部分内容:第一,创建Docker运行环境;第二,服务于Docker Client,接收并处理相应请求。

从实现细节来讲,mainDaemon()的实现过程主要包含以下步骤:

* daemon的配置初始化(这部分在init()函数中实现,即在mainDaemon()运行前就执行,但由于这部分内容和mainDaemon()的运行息息相关,故可认为是mainDaemon()运行的先决条件);
* 命令行flag参数检查;
* 创建engine对象;
* 设置engine的信号捕获及处理方法;
* 加载builtins;
* 使用goroutine加载daemon对象并运行;
* 打印Docker版本及驱动信息;
* Job之”serveapi”的创建与运行。

下文将一一深入分析以上步骤。

5.0 配置初始化

在mainDaemon()运行之前,关于Docker Daemon所需要的config配置信息均已经初始化完毕。具体实现如下,位于./docker/docker/daemon.go

 

首先,声明一个为daemon包中Config类型的变量,名为daemonCfg。而Config对象,定义了Docker Daemon所需的配置信息。在Docker Daemon在启动时,daemonCfg变量被传递至Docker Daemon并被使用。

Config对象的定义如下(含部分属性的解释),位于./docker/daemon/config.go

 

已经有声明的daemonCfg之后,init()函数实现了daemonCfg变量中各属性的赋值,具体的实现为:daemonCfg.InstallFlags(),位于./docker/daemon/config.go,代码如下:

 

在InstallFlags()函数的实现过程中,主要是定义某种类型的flag参数,并将该参数的值绑定在config变量的指定属性上,如:

 

以上语句的含义为:

* 定义一个为String类型的flag参数;
* 该flag的名称为”p”或者”-pidfile”;
* 该flag的值为” /var/run/docker.pid”,并将该值绑定在变量config.Pidfile上;
* 该flag的描述信息为”Path to use for daemon PID file”。

至此,关于Docker Daemon所需要的配置信息均声明并初始化完毕。

5.1 flag参数检查

从这一节开始,真正进入Docker Daemon的mainDaemon()运行分析。

第一个步骤即flag参数的检查。具体而言,即当docker命令经过flag参数解析之后,判断剩余的参数是否为0。若为0,则说明Docker Daemon的启动命令无误,正常运行;若不为0,则说明在启动Docker Daemon的时候,传入了多余的参数,此时会输出错误提示,并退出运行程序。具体代码如下:

 

## **5.2 创建engine对象**

在mainDaemon()运行过程中,flag参数检查完毕之后,随即创建engine对象,代码如下:

 

Engine是Docker架构中的运行引擎,同时也是Docker运行的核心模块。Engine扮演着Docker container存储仓库的角色,并且通过job的形式来管理这些容器。

./docker/engine/engine.go中,Engine结构体的定义如下:

 

其中,Engine结构体中最为重要的即为handlers属性。该handlers属性为map类型,key为string类型,value为Handler类型。其中Handler类型的定义如下:

 

可见,Handler为一个定义的函数。该函数传入的参数为Job指针,返回为Status状态。

介绍完Engine以及Handler,现在真正进入New()函数的实现中:

 

分析以上代码,可以知道New()函数最终返回一个Engine对象。而在代码实现部分,第一个工作即为创建一个Engine结构体实例eng;第二个工作是向eng对象注册名为commands的Handler,其中Handler为临时定义的函数func(job *Job) Status{ } , 该函数的作用是通过job来打印所有已经注册完毕的command名称,最终返回状态StatusOK;第三个工作是:将已定义的变量globalHandlers中的所有的Handler,都复制到eng对象的handlers属性中。最后成功返回eng对象。

5.3 设置engine的信号捕获

回到mainDaemon()函数的运行中,执行后续代码:

 

该部分代码的作用是:在Docker Daemon的运行中,设置Trap特定信号的处理方法,特定信号有SIGINT,SIGTERM以及SIGQUIT;当程序捕获到SIGINT或者SIGTERM信号时,执行相应的善后操作,最后保证Docker Daemon程序退出。

该部分的代码的实现位于./docker/pkg/signal/trap.go。实现的流程分为以下4个步骤:

* 创建并设置一个channel,用于发送信号通知;
* 定义signals数组变量,初始值为os.SIGINT, os.SIGTERM;若环境变量DEBUG为空的话,则添加os.SIGQUIT至signals数组;
* 通过gosignal.Notify(c, signals…)中Notify函数来实现将接收到的signal信号传递给c。需要注意的是只有signals中被罗列出的信号才会被传递给c,其余信号会被直接忽略;
* 创建一个goroutine来处理具体的signal信号,当信号类型为os.Interrupt或者syscall.SIGTERM时,执行传入Trap函数的具体执行方法,形参为cleanup(),实参为eng.Shutdown。

Shutdown()函数的定义位于./docker/engine/engine.go,主要做的工作是为Docker Daemon的关闭做一些善后工作。

善后工作如下:

* Docker Daemon不再接收任何新的Job;
* Docker Daemon等待所有存活的Job执行完毕;
* Docker Daemon调用所有shutdown的处理方法;
* 当所有的handler执行完毕,或者15秒之后,Shutdown()函数返回。

由于在signal.Trap( eng.Shutdown )函数的具体实现中执行eng.Shutdown,在执行完eng.Shutdown之后,随即执行os.Exit(0),完成当前程序的立即退出。

5.4 加载builtins

为eng设置完Trap特定信号的处理方法之后,Docker Daemon实现了builtins的加载。代码实现如下:

 

加载builtins的主要工作是为:为engine注册多个Handler,以便后续在执行相应任务时,运行指定的Handler。这些Handler包括:网络初始化、web API服务、事件查询、版本查看、Docker Registry验证与搜索。代码实现位于./docker/builtins/builtins.go,如下:

 

以下分析实现过程中最为主要的5个部分:daemon(eng)、remote(eng)、events.New().Install(eng)、eng.Register(“version”,dockerVersion)以及registry.NewService().Install(eng)。

5.4.1 注册初始化网络驱动的Handler

daemon(eng)的实现过程,主要为eng对象注册了一个key为”init_networkdriver”的Handler,该Handler的值为bridge.InitDriver函数,代码如下:

 

需要注意的是,向eng对象注册Handler,并不代表Handler的值函数会被直接运行,如bridge.InitDriver,并不会直接运行,而是将bridge.InitDriver的函数入口,写入eng的handlers属性中。

Bridge.InitDriver的具体实现位于./docker/daemon/networkdriver/bridge/driver.go ,主要作用为:

* 获取为Docker服务的网络设备的地址; *S 创建指定IP地址的网桥;
* 配置网络iptables规则;
* 另外还为eng对象注册了多个Handler,如 ”allocate_interface”, ”release_interface”, ”allocate_port”,”link”。

5.4.2 注册API服务的Handler

remote(eng)的实现过程,主要为eng对象注册了两个Handler,分别为”serveapi”与”acceptconnections”。代码实现如下:

 

注册的两个Handler名称分别为”serveapi”与”acceptconnections”,相应的执行方法分别为apiserver.ServeApi与apiserver.AcceptConnections,具体实现位于./docker/api/server/server.go。其中,ServeApi执行时,通过循环多种协议,创建出goroutine来配置指定的http.Server,最终为不同的协议请求服务;而AcceptConnections的实现主要是为了通知init守护进程,Docker Daemon已经启动完毕,可以让Docker Daemon进程接受请求。

5.4.3 注册events事件的Handler

events.New().Install(eng)的实现过程,为Docker注册了多个event事件,功能是给Docker用户提供API,使得用户可以通过这些API查看Docker内部的events信息,log信息以及subscribers_count信息。具体的代码位于./docker/events/events.go,如下:

 

5.4.4 注册版本的Handler

eng.Register(“version”,dockerVersion)的实现过程,向eng对象注册key为”version”,value为”dockerVersion”执行方法的Handler,dockerVersion的执行过程中,会向名为version的job的标准输出中写入Docker的版本,Docker API的版本,git版本,Go语言运行时版本以及操作系统等版本信息。dockerVersion的具体实现如下:

 

5.4.5 注册registry的Handler

registry.NewService().Install(eng)的实现过程位于./docker/registry/service.go,在eng对象对外暴露的API信息中添加docker registry的信息。当registry.NewService()成功被Install安装完毕的话,则有两个调用能够被eng使用:”auth”,向公有registry进行认证;”search”,在公有registry上搜索指定的镜像。 Install的具体实现如下:

 

至此,所有builtins的加载全部完成,实现了向eng对象注册特定的Handler。

5.5 使用goroutine加载daemon对象并运行

执行完builtins的加载,回到mainDaemon()的执行,通过一个goroutine来加载daemon对象并开始运行。这一环节的执行,主要包含三个步骤:

通过init函数中初始化的daemonCfg与eng对象来创建一个daemon对象d; 通过daemon对象的Install函数,向eng对象中注册众多的Handler; 在Docker Daemon启动完毕之后,运行名为”acceptconnections”的job,主要工作为向init守护进程发送”READY=1”信号,以便开始正常接受请求。

代码实现如下:

 

以下分别分析三个步骤所做的工作。

5.5.1 创建daemon对象

daemon.MainDaemon(daemonCfg, eng)是创建daemon对象d的核心部分。主要作用为初始化Docker Daemon的基本环境,如处理config参数,验证系统支持度,配置Docker工作目录,设置与加载多种driver,创建graph环境等,验证DNS配置等。

由于daemon.MainDaemon(daemonCfg, eng)是加载Docker Daemon的核心部分,且篇幅过长,故安排《Docker源码分析》系列的第四篇专文分析这部分。

5.5.2 通过daemon对象为engine注册Handler

当创建完daemon对象,goroutine执行d.Install(eng),具体实现位于./docker/daemon/daemon.go:

 

以上代码的实现分为三部分:

* 向eng对象中注册众多的Handler对象;
* daemon.Repositories().Install(eng)实现了向eng对象注册多个与image相关的Handler,Install的实现位于./docker/graph/service.go
* eng.Hack_SetGlobalVar(“httpapi.daemon”, daemon)实现向eng对象中map类型的hack对象中添加一条记录,key为”httpapi.daemon”,value为daemon。

5.5.3 运行acceptconnections的job

在goroutine内部最后运行名为”acceptconnections”的job,主要作用是通知init守护进程,Docker Daemon可以开始接受请求了。

这是源码分析系列中第一次涉及具体Job的运行,以下简单分析”acceptconnections”这个job的运行。

可以看到首先执行eng.Job(“acceptconnections”),返回一个Job,随后再执行eng.Job(“acceptconnections”).Run(),也就是该执行Job的run函数。

eng.Job(“acceptconnections”)的实现位于./docker/engine/engine.go,如下:

 

由以上代码可知,首先创建一个类型为Job的job对象,该对象中Eng属性为函数的调用者eng,Name属性为”acceptconnections”,没有参数传入。另外在eng对象所有的handlers属性中寻找键为”acceptconnections”记录的值,由于在加载builtins操作中的remote(eng)中已经向eng注册过这样的一条记录,key为”acceptconnections”,value为apiserver.AcceptConnections。因此job对象的handler为apiserver.AcceptConnections。最后返回已经初始化完毕的对象job。

创建完job对象之后,随即执行该job对象的run()函数。Run()函数的实现位于./docker/engine/job.go,该函数执行指定的job,并在job执行完成前一直阻塞。对于名为”acceptconnections”的job对象,运行代码为job.status = job.handler(job),由于job.handler值为apiserver.AcceptConnections,故真正执行的是job.status = apiserver.AcceptConnections(job)。

进入AcceptConnections的具体实现,位于./docker/api/server/server.go,如下:

 

重点为go systemd.SdNotify(“READY=1″)的实现,位于./docker/pkg/system/sd_notify.go,主要作用是通知init守护进程Docker Daemon的启动已经全部完成,潜在的功能是使得Docker Daemon开始接受Docker Client发送来的API请求。

至此,已经完成通过goroutine来加载daemon对象并运行。

5.6 打印Docker版本及驱动信息

回到mainDaemon()的运行流程中,在goroutine的执行之时,mainDaemon()函数内部其它代码也会并发执行。

第一个执行的即为显示docker的版本信息,以及ExecDriver和GraphDriver这两个驱动的具体信息,代码如下:

 

5.7 Job之serveapi的创建与运行

打印部分Docker具体信息之后,Docker Daemon立即创建并运行名为”serveapi”的job,主要作用为让Docker Daemon提供API访问服务。实现代码位于./docker/docker/daemon.go#L66,如下:

 

实现过程中,首先创建一个名为”serveapi”的job,并将flHosts的值赋给job.Args。flHost的作用主要是为Docker Daemon提供使用的协议与监听的地址。随后,Docker Daemon为该job设置了众多的环境变量,如安全传输层协议的环境变量等。最后通过job.Run()运行该serveapi的job。

由于在eng中key为”serveapi”的handler,value为apiserver.ServeApi,故该job运行时,执行apiserver.ServeApi函数,位于./docker/api/server/server.go。ServeApi函数的作用主要是对于用户定义的所有支持协议,Docker Daemon均创建一个goroutine来启动相应的http.Server,分别为不同的协议服务。

由于创建并启动http.Server为Docker架构中有关Docker Server的重要内容,《Docker源码分析》系列会在第五篇专文进行分析。

至此,可以认为Docker Daemon已经完成了serveapi这个job的初始化工作。一旦acceptconnections这个job运行完毕,则会通知init进程Docker Daemon启动完毕,可以开始提供API服务。

6 总结

本文从源码的角度分析了Docker Daemon的启动,着重分析了mainDaemon()的实现。

Docker Daemon作为Docker架构中的主干部分,负责了Docker内部几乎所有操作的管理。学习Docker Daemon的具体实现,可以对Docker架构有一个较为全面的认识。总结而言,Docker的运行,载体为daemon,调度管理由engine,任务执行靠job。

7 作者简介

孙宏亮,DaoCloud初创团队成员,软件工程师,浙江大学计算机科学专业应届毕业研究生。

读研期间活跃在PaaS和Docker开源社区,对Cloud Foundry有深入研究和丰富实践,擅长底层平台代码分析,对分布式平台的架构有一定经验,撰写了大量有深度的技术博客。

2014年末以合伙人身份加入DaoCloud团队,致力于传播以Docker为主的容器的技术,推动互联网应用的容器化步伐。

欢迎交流,邮箱:allen.sun@daocloud.io

8 参考文献

[微软宣布下一代Windows Server将引入Docker原生支持]
[sd_notify, sd_notifyf]
[浅析 Linux 初始化 init 系统,第 3 部分: Systemd]
[Package os]
[Docker Reference-Command Line]

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