Docker源码分析(四):Docker Daemon之NewDaemon实现

【摘要】

Docker架构中Docker Daemon支撑着整个后台的运行,同时也统一化管理着Docker架构中graph、graphdriver、execdriver、volumes、Docker container等众多资源。可以说,Docker Daemon复杂的运作均由daemon对象来调度,而newDaemon的实现恰巧可以帮助大家了解这一切的来龙去脉。

1. 前言

Docker的生态系统日趋完善,开发者群体也在日趋庞大,这让业界对Docker持续抱有极其乐观的态度。然而,对于广大开发者而言,使用Docker这项技术已然不是门槛,享受Docker带来的技术福利已不是困难。如今,如何探寻Docker适应的场景,如何发展Docker周边的技术,以及如何弥合Docker新技术与传统物理机或VM技术的鸿沟,已经占据Docker研究者们的思考与实践。

本文为《Docker源码分析》第四篇——Docker Daemon之NewDaemon实现,力求帮助广大Docker爱好者更多得理解Docker 的核心——Docker Daemon的实现。

2. NewDaemon作用简介

在Docker架构中有很多重要的概念,如:graph,graphdriver,execdriver,networkdriver,volumes,Docker containers等。Docker的实现过程中,需要将以上实体进行统一化管理,而Docker Daemon中的daemon实例就是设计来完成这一任务。

从源码的角度,NewDaemon函数的执行出色的完成了Docker Daemon创建并加载daemon的任务,最终实现统一管理Docker Daemon的资源。

3. NewDaemon源码分析内容安排

本文从源码角度,分析Docker Daemon加载过程中NewDaemon的实现,整个分析过程如下图:

NewDaemon流程
4. NewDaemon具体实现

在《Docker源码分析》系列第三篇中,有一个重要的环节为:使用goroutine加载daemon对象并运行。在加载并运行daemon对象时,所做的第一个工作即为:

 

该部分代码分析如下:

* 函数名:NewDaemon;
* 函数调用具体实现所处的包位置:./docker/daemon
* 函数具体实现源文件:./docker/daemon/daemon.go
* 函数传入实参:daemonCfg,定义了Docker Daemon运行过程中所需的众多配置信息;eng,在mainDaemon中创建的engine对象实例;
* 函数返回类型:d,具体的Daemon对象实例;err,错误状态。

进入./docker/daemon/daemon.go中NewDaemon的具体实现,代码如下

 

可见,在实现NewDaemon的过程中,主要依靠NewDaemonFromDirectory函数来实现创建Daemon的运行环境。该函数的实现,传入参数以及返回类型与NewDaemon相同。下文将大篇幅分析其实现细节。

4.1. 应用配置信息

在NewDaemonFromDirectory的实现过程中,第一个工作是:如何应用传入的配置信息。这部分配置信息服务于Docker Daemon的运行,并在Docker Daemon启动初期就初始化完毕。配置信息的主要功能是:供用户自由配置Docker的可选功能,使得Docker的运行更贴近用户所期待的运行场景。

配置信息的处理包含4部分:

* 配置Docker容器的MTU;
* 检测网桥配置信息;
* 查验容器通信配置;
* 处理PID文件配置。

以下逐一分析配置信息的处理。

4.1.1. 配置Docker容器的MTU

config信息中的Mtu应用于容器网络的最大传输单元(MTU)特性。有关MTU的源码如下:

 

如果config信息中Mtu的值为0的话,则通过GetDefaultNetworkMtu函数将Mtu设定为默认的值;否则,采用config中的Mtu值。由于在默认的配置文件./docker/daemon/config.go(下文简称为默认配置文件)中,初始化时Mtu属性值为0,故执行GetDefaultNetworkMtu。 GetDefaultNetworkMtu函数的具体实现位于./docker/daemon/config.go:

 

GetDefaultNetworkMtu的实现中,通过networkdriver包的GetDefaultRouteIface方法获取具体的网络设备,若该网络设备存在,则返回该网络设备的MTU属性值;否则的话,返回默认的MTU值defaultNetworkMtu,值为1500。

4.1.2. 检测网桥配置信息

处理完config中的Mtu属性之后,马上检测config中BridgeIface和BridgeIP这两个信息。BridgeIface和BridgeIP的作用是为创建网桥的任务”init_networkdriver”提供参数。代码如下:

 

以上代码的含义为:若config中BridgeIface和BridgeIP两个属性均不为空,则返回nil对象,并返回错误信息,错误信息内容为:用户同时指定了BridgeIface和BridgeIP,这两个属性属于互斥类型,只能至多指定其中之一。在默认配置文件中,BridgeIface和BridgeIP均为空。

4.1.3. 查验容器通信配置

检测容器的通信配置,主要是针对config中的EnableIptables和InterContainerCommunication这两个属性。EnableIptables属性的作用是启用Docker对iptables规则的添加;InterContainerCommunication的作用是启动Docker container之间互相通信的功能。代码如下:

 

代码含义为:若EnableIptables和InterContainerCommunication两个属性的值均为false,则返回nil对象以及错误信息。其中错误信息为:用户将以上两属性均置为false,container间通信需要iptables的支持,需设置至少其中之一为true。而在默认配置文件中,这两个属性的值均为true。

4.1.4. 处理网络功能配置

接着,处理config中的DisableNetwork属性,以备后续在创建并执行创建Docker Daemon网络环境时使用,即在名为”init_networkdriver”的job创建并运行中体现。

 

由于config中的DisableNetwork属性值为空,另外DisableNetworkBridge的值为字符串”none”,因此最终config中DisableNetwork的值为false。后续的”init_networkdriver”的job需要执行。

4.1.5. 处理PID文件配置

处理PID文件配置,主要工作为:为Docker Daemon运行时的PID号创建一个PID文件,文件的路径即为config中的Pidfile属性。并且为Docker Daemon的shutdown操作添加一个删除该Pidfile的函数,以便在Docker Daemon退出的时候,可以在第一时间删除该Pidfile。处理PID文件配置信息的代码实现如下:

 

代码执行过程中,首先检测config中的Pidfile属性是否为空,若为空,则跳过代码块继续执行;若不为空,则首先在文件系统中创建具体的Pidfile,然后向eng的onShutdown属性添加一个处理函数,函数具体完成的工作为utils.RemovePidFile(config.Pidfile),即在Docker Daemon进行shutdown操作的时候,删除Pidfile文件。在默认配置文件中,Pidfile文件的初始值为” /var/run/docker.pid”。

以上便是关于配置信息处理的分析。

4.2. 检测系统支持及用户权限

初步处理完Docker的配置信息之后,Docker对自身运行的环境进行了一系列的检测,主要包括三个方面: * 操作系统类型对Docker Daemon的支持; * 用户权限的级别; * 内核版本与处理器的支持。

系统支持与用户权限检测的实现较为简单,实现代码如下:

 

首先,通过runtime.GOOS,检测操作系统的类型。runtime.GOOS返回运行程序所在操作系统的类型,可以是Linux,Darwin,FreeBSD等。结合具体代码,可以发现,若操作系统不为Linux的话,将报出Fatal错误日志,内容为“Docker Daemon只能支持Linux操作系统”。

接着,通过os.Geteuid(),检测程序用户是否拥有足够权限。os.Geteuid()返回调用者所在组的group id。结合具体代码,可就是说若返回不为0,则说明不是以root用户的身份运行,报出Fatal日志。

最后,通过checkKernelAndArch(),检测内核的版本以及主机处理器类型。checkKernelAndArch()的实现同样位于./docker/daemon/daemon.go。实现过程中,第一个工作是:检测程序运行所在的处理器架构是否为“amd64”,而目前Docker运行时只能支持amd64的处理器架构。第二个工作是:检测Linux内核版本是否满足要求,而目前Docker Daemon运行所需的内核版本若过低,则必须升级至3.8.0。

4.3. 配置工作路径

配置Docker Daemon的工作路径,主要是创建Docker Daemon运行中所在的工作目录。实现过程中,通过config中的Root属性来完成。在默认配置文件中,Root属性的值为”/var/lib/docker”。

配置工作路径的代码实现中,步骤如下: (1) 使用规范路径创建一个TempDir,路径名为tmp; (2) 通过tmp,创建一个指向tmp的文件符号连接realTmp; (3) 使用realTemp的值,创建并赋值给环境变量TMPDIR; (4) 处理config的属性EnableSelinuxSupport; (5) 将realRoot重新赋值于config.Root,并创建Docker Daemon的工作根目录

4.4. 加载并配置存储驱动graphdriver

加载并配置存储驱动graphdriver,目的在于:使得Docker Daemon创建Docker镜像管理所需的驱动环境。Graphdriver用于完成Docker容器镜像的管理,包括存储与获取。

4.4.1. Graphdriver的创建

这部分内容的源码位于./docker/daemon/daemon.go#L743-L790,具体细节分析如下:

 

首先,为graphdriver包中的DefaultDriver对象赋值,值为config中的GraphDriver属性,在默认配置文件中,GraphDriver属性的值为空;同样的,属性GraphOptions也为空。然后通过graphDriver中的new函数实现加载graph的存储驱动。

创建具体的graphdriver是相当重要的一个环节,实现细节由graphdriver包中的New函数来完成。进入./docker/daemon/graphdriver/driver.go中,实现步骤如下:

第一,遍历数组选择graphdriver,数组内容为os.Getenv(“DOCKER_DRIVER”)和DefaultDriver。若不为空,则通过GetDriver函数直接返回相应的Driver对象实例,若均为空,则继续往下执行。这部分内容的作用是:让graphdriver的加载,首先满足用户的自定义选择,然后满足默认值。代码如下:

 

第二,遍历优先级数组选择graphdriver,优先级数组的内容为依次为”aufs”,”brtfs”,”devicemapper”和”vfs”。若依次验证时,GetDriver成功,则直接返回相应的Driver对象实例,若均不成功,则继续往下执行。这部分内容的作用是:在没有指定以及默认的Driver时,从优先级数组中选择Driver,目前优先级最高的为“aufs”。代码如下:

 

第三,从已经注册的drivers数组中选择graphdriver。在”aufs”,”btrfs”,”devicemapper”和”vfs”四个不同类型driver的init函数中,它们均向graphdriver的drivers数组注册了相应的初始化方法。分别位于./docker/daemon/graphdriver/aufs/aufs.go,以及其他三类driver的相应位置。这部分内容的作用是:在没有优先级drivers数组的时候,同样可以通过注册的driver来选择具体的graphdriver。

4.4.2. 验证btrfs与SELinux的兼容性

由于目前在btrfs文件系统上运行的Docker不兼容SELinux,因此当config中配置信息需要启用SELinux的支持并且driver的类型为btrfs时,返回nil对象,并报出Fatal日志。代码实现如下:

 

4.4.3. 创建容器仓库目录

Docker Daemon在创建Docker容器之后,需要将容器放置于某个仓库目录下,统一管理。而这个目录即为daemonRepo,值为:/var/lib/docker/containers,并通过daemonRepo创建相应的目录。代码实现如下:

 

4.4.4. 迁移容器至aufs类型

当graphdriver的类型为aufs时,需要将现有的graph所有内容都迁移至aufs类型;若不为aufs,则继续往下执行。实现代码如下:

 

这部分的迁移内容主要包括Repositories,Images以及Containers,具体实现位于./docker/daemon/graphdriver/aufs/migrate.go

 

migrate repositories的功能是:在Docker Daemon的root工作目录下创建repositories-aufs的文件,存储所有与images相关的基本信息。

migrate images的主要功能是:将原有的image镜像都迁移至aufs driver能识别并使用的类型,包括aufs所规定的layers,diff与mnt目录内容。

migrate container的主要功能是:将container内部的环境使用aufs driver来进行配置,包括,创建container内部的初始层(init layer),以及创建原先container内部的其他layers。

4.4.5. 创建镜像graph

创建镜像graph的主要工作是:在文件系统中指定的root目录下,实例化一个全新的graph对象,作用为:存储所有标记的文件系统镜像,并记录镜像之间的关系。实现代码如下:

 

NewGraph的具体实现位于./docker/graph/graph.go,实现过程中返回的对象为Graph类型,定义如下:

 

其中Root表示graph的工作根目录,一般为”/var/lib/docker/graph”;idIndex使得检索字符串标识符时,允许使用任意一个该字符串唯一的前缀,在这里idIndex用于通过简短有效的字符串前缀检索镜像与容器的ID;最后driver表示具体的graphdriver类型。

4.4.6. 创建volumesdriver以及volume graph

在Docker中volume的概念是:可以从Docker宿主机上挂载到Docker容器内部的特定目录。一个volume可以被多个Docker容器挂载,从而Docker容器可以实现互相共享数据等。在实现volumes时,Docker需要使用文件系统driver来管理它,由于volumes的管理不会像容器文件系统管理那么复杂,故Docker采用vfs驱动实现volumes的管理。代码实现如下:

 

主要完成工作为:使用vfs创建volumesDriver;创建相应的volumes目录,并返回volumes graph对象。

4.4.7. 创建TagStore

TagStore主要是用于存储镜像的仓库列表(repository list)。代码如下:

 

NewTagStore位于./docker/graph/tags.go,TagStore的定义如下:

 

需要阐述的是TagStore类型中的多个属性的含义:

* path:TagStore中记录镜像的仓库文件位置;
* graph:相应的Graph实例对象;
* Repositories:记录具体的镜像的仓库的数据结构;
* sync.Mutex:TagStore的互斥锁
* pullingPool :记录池,记录有哪些镜像正在被下载,若某一个镜像正在被下载,则驳回其他Docker Client发起下载该镜像的请求;
* pushingPool:记录池,记录有哪些镜像正在被上传,若某一个镜像正在被上传,则驳回其他Docker Client发起上传该镜像的请求;

4.5. 创建Docker Daemon网络环境

创建Docker Daemon运行环境的时候,创建网络环境是极为重要的一个部分,这不仅关系着容器对外的通信,同样也关系这容器间的通信。

在创建网络时,Docker Daemon是通过运行名为”init_networkdriver”的job来完成的。代码如下:

 

分析以上源码可知,通过config中的DisableNetwork属性来判断,在默认配置文件中,该属性有过定义,却没有初始值。但是在应用配置信息中处理网络功能配置的时候,将DisableNetwork属性赋值为false,故判断语句结果为真,执行相应的代码块。

首先创建名为”init_networkdriver”的job,随后为该job设置环境变量,环境变量的值如下:

* 环境变量EnableIptables,使用config.EnableIptables来赋值,为true;
* 环境变量InterContainerCommunication,使用config.InterContainerCommunication来赋值,为true;
* 环境变量EnableIpForward,使用config.EnableIpForward来赋值,值为true;
* 环境变量BridgeIface,使用config.BridgeIface来赋值,为空字符串””;
* 环境变量BridgeIP,使用config.BridgeIP来赋值,为空字符串””;
* 环境变量DefaultBindingIP,使用config.DefaultIp.String()来赋值,为”0.0.0.0”。

设置完环境变量之后,随即运行该job,由于在eng中key为”init_networkdriver”的handler,value为bridge.InitDriver函数,具体的实现位于./docker/daemon/networkdriver/bridge/dirver.go,作用为: * 获取为Docker服务的网络设备的地址; * 创建指定IP地址的网桥; * 启用Iptables功能并配置; * 另外还为eng对象注册了4个Handler,如 ”allocate_interface”, ”release_interface”, ”allocate_port”,”link”。

4.5.1. 创建Docker网络设备

创建Docker网络设备,属于Docker Daemon创建网络环境的第一步,实际工作是创建名为“docker0”的网桥设备。

在InitDriver函数运行过程中,首先使用job的环境变量初始化内部变量;然后根据目前网络环境,判断是否创建docker0网桥,若Docker专属网桥已存在,则继续往下执行;否则的话,创建docker0网桥。具体实现为createBridge(bridgeIP),以及createBridgeIface(bridgeIface)

createBridge的功能是:在host主机上启动创建指定名称网桥设备的任务,并为该网桥设备配置一个与其他设备不冲突的网络地址。而createBridgeIface通过系统调用负责创建具体实际的网桥设备,并设置MAC地址,通过libcontainer中netlink包的CreateBridge来实现。

4.5.2. 启用iptables功能并配置

创建完网桥之后,Docker Daemon为容器以及host主机配置iptables,包括为container之间所需要的link操作提供支持,为host主机上所有的对外对内流量制定传输规则等。代码位于./docker/daemon/networkdriver/bridge/driver/driver.go#L133-L137,如下:

 

其中setupIPtables的调用过程中,addr地址为Docker网桥的网络地址,icc为true,即为允许Docker容器间互相访问。假设网桥设备名为docker0,网桥网络地址为docker0_ip,设置iptables规则,操作步骤如下: (1) 使用iptables工具开启新建网桥的NAT功能,使用命令如下:

 

(2) 通过icc参数,决定是否允许container间通信,并制定相应iptables的Forward链。Container之间通信,说明数据包从container内发出后,经过docker0,并且还需要在docker0处发往docker0,最终转向指定的container。换言之,从docker0出来的数据包,如果需要继续法网docker0,则说明是container的通信数据包。命令使用如下:

 

(3) 允许接受从container发出,且不是发往其他container数据包。换言之,允许所有从docker0发出且不是继续发向docker0的数据包,使用命令如下:

 

(4) 对于发往docker0,并且属于已经建立的连接的数据包,Docker无条件接受这些数据包,使用命令如下:

 

4.5.3. 启用系统数据包转发功能

在Linux系统上,数据包转发功能是被默认禁止的。数据包转发,就是当host主机存在多块网卡的时,如果其中一块网卡接收到数据包,并需要将其转发给另外的网卡。通过修改/proc/sys/net/ipv4/ip_forward的值,将其置为1,则可以保证系统内数据包可以实现转发功能,代码如下:

 

4.5.4. 创建DOCKER链

在网桥设备上创建一条名为DOCKER的链,该链的作用是在创建Docker container并设置端口映射时使用。实现代码位于./docker/daemon/networkdriver/bridge/driver/driver.go,如下:

 

4.5.5. 注册Handler至Engine

在创建完网桥,并配置完基本的iptables规则之后,Docker Daemon在网络方面还在Engine中注册了4个Handler,这些Handler的名称与作用如下: * allocate_interface:为Docker container分配一个专属网卡; * realease_interface:释放网卡资源; * allocate_port:为Docker container分配一个端口; * link:实现Docker container间的link操作。

由于在Docker架构中,网络是极其重要的一部分,因此Docker网络篇会安排在《Docker源码分析》系列的第六篇。

4.6. 创建graphdb并初始化

Graphdb是一个构建在SQLite之上的图形数据库,通常用来记录节点命名以及节点之间的关联。Docker Daemon使用graphdb来记录镜像之间的关联。创建graphdb的代码如下:

 

以上代码首先确定graphdb的目录为/var/lib/docker/linkgraph.db;随后通过graphdb包内的NewSqliteConn打开graphdb,使用的驱动为”sqlite3”,数据源的名称为” /var/lib/docker/linkgraph.db”;最后通过NewDatabase函数初始化整个graphdb,为graphdb创建entity表,edge表,并在这两个表中初始化部分数据。NewSqliteConn函数的实现位于./docker/pkg/graphdb/conn_sqlite3.go,代码实现如下:

 

4.7. 创建execdriver

Execdriver是Docker中用来执行Docker container任务的驱动。创建并初始化graphdb之后,Docker Daemon随即创建了execdriver,具体代码如下:

 

可见,在创建execdriver的时候,需要4部分的信息,以下简要介绍这4部分信息:

* config.ExecDriver:Docker运行时中指定使用的exec驱动类别,在默认配置文件中默认使用”native”,也可以将这个值改为”lxc”,则使用lxc接口执行Docker container内部的操作;

* config.Root:Docker运行时的root路径,默认配置文件中为”/var/lib/docker”;

* sysInitPath:系统上存放dockerinit文件的路径,一般为”/var/lib/docker/init/dockerinit-1.2.0”;

* sysInfo:系统功能信息,包括:容器的内存限制功能,交换区内存限制功能,数据转发功能,以及AppArmor安全功能。

在执行execdrivers.NewDriver之前,首先通过以下代码,获取期望目标dockerinit文件的路径localPath,以及系统中dockerinit文件实际所在的路径sysInitPath:

 

通过执行以上代码,localCopy为”/var/lib/docker/init/dockerinit-1.2.0”,而sysyInitPath为当前Docker运行时中dockerinit-1.2.0实际所处的路径,utils.DockerInitPath的实现位于 ./docker/utils/util.go。若localCopy与sysyInitPath不相等,则说明当前系统中的dockerinit二进制文件,不在localCopy路径下,需要将其拷贝至localCopy下,并对该文件设定权限。

设定完dockerinit二进制文件的位置之后,Docker Daemon创建sysinfo对象,记录系统的功能属性。SysInfo的定义,位于./docker/pkg/sysinfo/sysinfo.go,如下:

 

其中MemoryLimit通过判断cgroups文件系统挂载路径下是否均存在memory.limit_in_bytes和memory.soft_limit_in_bytes文件来赋值,若均存在,则置为true,否则置为false。SwapLimit通过判断memory.memsw.limit_in_bytes文件来赋值,若该文件存在,则置为true,否则置为false。AppArmor通过宿主机是否存在/sys/kernel/security/apparmor来判断,若存在,则置为true,否则置为false。

执行execdrivers.NewDriver时,返回execdriver.Driver对象实例,具体代码实现位于 ./docker/daemon/execdriver/execdrivers/execdrivers.go,由于选择使用native作为exec驱动,故执行代码,返回最终的execdriver,如以下,其中native.NewDriver实现位于./docker/daemon/execdriver/native/driver.go

 

4.8. 创建daemon对象

Docker Daemon在经过以上诸多设置以及创建对象之后,整合众多内容,创建最终的Daemon对象实例daemon,实现代码如下:

 

以下分析Daemon类型的属性:

4.9. 检测DNS配置

创建完Daemon类型实例daemon之后,Docker Daemon使用daemon.checkLocaldns()检测Docker运行环境中DNS的配置, checkLocaldns函数的定义位于./docker/daemon/daemon.go,代码如下:

 

以上代码首先通过resolvconf.Get()方法获取/etc/resolv.conf中的DNS服务器信息。若本地DNS 文件中有127.0.0.1,而Docker container不能使用该地址,故采用默认外在DNS服务器,为8.8.8.8,8.8.4.4,并将其赋值给config文件中的Dns属性。

4.10. 启动时加载已有Docker containers

当Docker Daemon启动时,会去查看在daemon.repository,也就是在/var/lib/docker/containers中的内容。若有存在Docker container的话,则让Docker Daemon加载这部分运行着的容器,将容器信息收集,并做相应的维护。

4.11. 设置shutdown的处理方法

加载完已有Docker container之后,Docker Daemon设置了多项在shutdown操作中需要执行的handler。代码如下:

 

可知,eng对象shutdown操作执行时,需要执行以上作为参数的func(){……}函数。该函数中,主要完成4部分的操作: * 运行daemon对象的shutdown函数,做daemon方面的善后工作; * 通过portallocator.ReleaseAll(),释放所有之前占用的资源; * 通过daemon.driver.Cleanup(),通过graphdriver实现unmount所有layers中的挂载点; * 通过daemon.containerGraph.Close()关闭graphdb的连接。

4.12. 返回daemon对象

当所有的工作完成之后,Docker Daemon返回daemon实例,并最终返回至mainDaemon()中的加载daemon的goroutine中继续执行。

5. 总结

本文从源码的角度深度分析了Docker Daemon启动过程中daemon对象的创建与加载。在这一环节中涉及内容极多,本文归纳总结daemon实现的逻辑,一一深入,具体全面。

在Docker的架构中,Docker Daemon的内容是最为丰富以及全面的,而NewDaemon的实现而是涵盖了Docker Daemon启动过程中的绝大部分。可以认为NewDaemon是Docker Daemon实现过程中的精华所在。深入理解NewDaemon的实现,即掌握了Docker Daemon运行的来龙去脉。

6. 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

7. 参考文献

[The Go Programming Language-Packages]
[Iptables matches]
[/proc/sys/net/ipv4/* Variables:]
[The lost packages of docker]

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