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為什么說容器是單進程模型

2021-02-26    分類： 網站建設

Go 語言現在的一個主要應用領域就是云原生技術，包括容器(以 Docker 為代表)、Kubernetes、Prometheus 等。后面將寫一系列文章來介紹一下云原生技術棧中的關鍵技術。

過去兩年很多大公司的一個主要技術方向就是將應用上云，在這個過程中的一個典型錯誤用法就是將容器當成虛擬機來使用，將一堆進程啟動在一個容器內。但是容器和虛擬機對進程的管理能力是有著巨大差異的。不管在容器中還是虛擬機中都有一個一號進程，虛擬機中是 systemd 進程，容器中是 entrypoint 啟動進程，然后所有的其他線程都是一號進程的子進程，或者子進程的子進程，遞歸下去。這里的主要差異就體現在 systemd 進程對僵尸進程回收的能力。如果你想和更多容器技術專家交流，可以加我微信liyingjiese，備注『加群』。群里每周都有全球各大公司的好實踐以及行業最新動態。

為什么說容器是單進程模型

僵尸進程

說到僵尸進程，這里簡單介紹一下 Linux 系統中的進程狀態，我們可以通過 ps 或者 top 等命令查看系統中的進程，比如通過 ps aux 在我的 ecs 虛擬機上面得到如下的輸出。

  1. [root@emr-header-1 ~]# ps aux 
  2. USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND 
  3. root         1  0.1  0.0 190992  3568 ?        Ss   Mar16 289:04 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --de 
  4. root         2  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16   0:05 [kthreadd] 
  5. root         3  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16  13:01 [ksoftirqd/0] 
  6. root         5  0.0  0.0      0     0 ?        S<   Mar16   0:00 [kworker/0:0H] 
  7. root         7  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16  14:41 [migration/0] 
  8. root         8  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16   0:00 [rcu_bh] 
  9. root         9  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16 243:19 [rcu_sched] 
  10. root        10  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16   0:50 [watchdog/0] 
  11. root        11  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16   0:39 [watchdog/1] 
  12. root        12  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16  23:51 [migration/1] 
  13. root        13  0.0  0.0      0     0 ?        S    Mar16  15:44 [ksoftirqd/1] 
  14. root        15  0.0  0.0      0     0 ?        S<   Mar16   0:00 [kworker/1:0H] 

我們可以看到排在第一位的就是前面說到的 1 號進程 systemd。其中的 STAT 那一列就是進程狀態，這里的狀態都是和 S 有關的，但是正常還有 R、D、Z 等狀態。各個狀態的含義簡單描述如下：

  • S：Interruptible Sleep，中文可以叫做可中斷的睡眠狀態，表示進程因為等待某個資源或者事件就緒而被系統暫時掛起。當資源或者事件 Ready 的時候，進程輪轉到 R 狀態。
  • R：也就是 Running，有時候也可以指代 Runnable，表示進程正在運行或者等待運行。
  • Z：Zombie，也就是僵尸進程。我們知道每個進程都是會占用一定的資源的，比如 pid 等，如果進程結束，資源沒有被回收就會變成僵尸進程。
  • D：Disk Sleep，也就是 Uninterruptible Sleep，不可中斷的睡眠狀態，一般是進程在等待 IO 等資源，并且不可中斷。D 狀態相信很多人在實踐中第一次接觸就是 ps 卡住。D 狀態一般在 IO 等資源就緒之后就會輪轉到 R 狀態，如果進程處于 D 狀態比較久，這個時候往往是 IO 出現問題，解決辦法大部分情況是重啟機器。
  • I：Idle，也就是空閑狀態，不可中斷的睡眠的內核線程。和 D 狀態進程的主要區別是可能實際上不會造成負載升高。

關于僵尸進程，這里繼續討論一下。對于正常的使用情況，子進程的創建一般需要父進程通過系統調用 wait() 或者 waitpid() 來等待子進程結束，從而回收子進程的資源。除了這種方式外，還可以通過異步的方式來進行回收，這種方式的基礎是子進程結束之后會向父進程發送 SIGCHLD 信號，基于此父進程注冊一個 SIGCHLD 信號的處理函數來進行子進程的資源回收就可以了。記住這兩種方式，后面還會涉及到。

僵尸進程的大危害是對資源的一種永久性占用，比如進程號，系統會有一個大的進程數 n 的限制，也就意味一旦 1 到 n 進程號都被占用，系統將不能創建任何進程和線程(進程和線程對于 OS 而言，使用同一種數據結構來表示，task_struct)。這個時候對于用戶的一個直觀感受就是 shell 無法執行任何命令，這個原因是 shell 執行命令的本質是 fork。

  1. [root@emr-header-1 ~]# ulimit -a 
  2. core file size          (blocks, -c) 0 
  3. data seg size           (kbytes, -d) unlimited 
  4. scheduling priority             (-e) 0 
  5. file size               (blocks, -f) unlimited 
  6. pending signals                 (-i) 63471 
  7. max locked memory       (kbytes, -l) 64 
  8. max memory size         (kbytes, -m) unlimited 
  9. open files                      (-n) 131070 
  10. pipe size            (512 bytes, -p) 8 
  11. POSIX message queues     (bytes, -q) 819200 
  12. real-time priority              (-r) 0 
  13. stack size              (kbytes, -s) 8192 
  14. cpu time               (seconds, -t) unlimited 
  15. max user processes              (-u) 63471 
  16. virtual memory          (kbytes, -v) unlimited 
  17. file locks                      (-x) unlimited 

孤兒進程

前面說到如果子進程先于父進程退出，并且父進程沒有對子進程殘留的資源進行回收的話將會產生僵尸進程。這里引申另外一種情況，父進程先于子進程退出的話，那么子進程的資源誰來回收呢?

父進程先于子進程退出，這個時候我們一般將還在運行的子進程稱為孤兒進程，但是實際上孤兒進程并沒有一個明確的定義，他的狀態還是處于上面討論的幾種進程狀態中。那么孤兒進程的資源誰來回收呢?類 Unix 系統針對這種情況會將這些孤兒進程的父進程置為 1 號進程也就是 systemd 進程，然后由 systemd 來對孤兒進程的資源進行回收。

單進程模型的本質

看完上面兩節大家應該知道了虛擬機或者一個完整的 OS 是如何避免僵尸進程的。但是，在容器中，1 號進程一般是 entry point 進程，針對上面這種 將孤兒進程的父進程置為 1 號進程進而避免僵尸進程 處理方式，容器是處理不了的。進而就會導致容器中在孤兒進程這種異常場景下僵尸進程無法徹底處理的窘境。

所以說，容器的單進程模型的本質其實是容器中的 1 號進程并不具有管理多進程、多線程等復雜場景下的能力。如果一定在容器中處理這些復雜情況的，那么需要開發者對 entry point 進程賦予這種能力。這無疑是加重了開發者的心智負擔，這是任何一項大眾技術或者平臺框架都不愿看到的尷尬之地。

如何避免

除了第二節討論的開發者自己賦予 entrypoint 進程管理多進程的能力，這里我更推薦借助 Kubernetes 來做這件事情。我想現在應該也沒有人對容器進行人工管理了，大部分人應該都轉向了容器編排和調度工具 Kubernetes 陣營了(對于那些還在使用 Swarm 的一小波人，我勸你們早日棄暗投明 :))。

Kubernetes 中可以將多個容器編排到一個 Pod 里面，共享同一個 Linux NameSpace。這項技術的本質是使用 Kubernetes 提供一個 pause 鏡像，展開來說就是先用 pause 鏡像實例化出 NameSpace，然后其他容器加入這個 NameSpace 從而實現 NameSpace 共享。突然意識到這塊需要有容器和 NameSpace 的技術背景，限于篇幅，希望你可以自行搜索這種技術背景。或者我下一篇文章討論一下容器技術的本質。

言歸正傳，我們來介紹一下 pause。pause 是 Kubernetes 在 1.16 版本引入的技術，要使用 pause，我們只需要在 Pod 創建的 yaml 中指定 shareProcessNamespace 參數為 true，如下：

  1. apiVersion: v1 
  2. kind: Pod 
  3. metadata: 
  4. name: nginx 
  5. spec: 
  6. shareProcessNamespace: true 
  7. containers: 
  8. - name: nginx 
  9. image: nginx 
  10. - name: shell 
  11. image: busybox 
  12. securityContext: 
  13.   capabilities: 
  14.     add: 
  15.     - SYS_PTRACE 
  16. stdin: true 
  17. tty: true 

創建 Pod：

  1. kubectl apply -fshare-process-namespace.yaml 

attach 到 Pod 中，ps 查看進程列表：

  1. / # ps ax 
  2. PID   USER     TIME  COMMAND 
  3. 1 root      0:00 /pause 
  4. 8 root      0:00 nginx: master process nginx -g daemon off; 
  5. 14 101       0:00 nginx: worker process 
  6. 15 root      0:00 sh 
  7. 21 root      0:00 ps ax 

我們可以看到 Pod 中的 1 號進程變成了 /pause，其他容器的 entrypoint 進程都變成了 1 號進程的子進程。這個時候開始逐漸逼近事情的本質了：/pause 進程是如何處理將孤兒進程的父進程置為 1 號進程進而避免僵尸進程的呢?我們看一下源碼，git repo: pause.c：



  1. #define STRINGIFY(x) #x 
  2. #define VERSION_STRING(x) STRINGIFY(x) 
  3.  
  4. #ifndef VERSION 
  5. #define VERSION HEAD 
  6. #endif 
  7.  
  8. static void sigdown(int signo) { 
  9. psignal(signo, "Shutting down, got signal"); 
  10. exit(0); 
  11. } 
  12.  
  13. static void sigreap(int signo) { 
  14. while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) 
  15. ; 
  16. } 
  17.  
  18. int main(int argc, char **argv) { 
  19. int i; 
  20. for (i = 1; i < argc; ++i) { 
  21. if (!strcasecmp(argv[i], "-v")) { 
  22.   printf("pause.c %s\n", VERSION_STRING(VERSION)); 
  23.   return 0; 
  24. } 
  25. } 
  26.  
  27. if (getpid() != 1) 
  28. /* Not an error because pause sees use outside of infra containers. */ 
  29. fprintf(stderr, "Warning: pause should be the first process\n"); 
  30.  
  31. if (sigaction(SIGINT, &(struct sigaction){.sa_handler = sigdown}, NULL) < 0) 
  32. return 1; 
  33. if (sigaction(SIGTERM, &(struct sigaction){.sa_handler = sigdown}, NULL) < 0) 
  34. return 2; 
  35. if (sigaction(SIGCHLD, &(struct sigaction){.sa_handler = sigreap, 
  36.                                          .sa_flags = SA_NOCLDSTOP}, 
  37.             NULL) < 0) 
  38. return 3; 
  39.  
  40. for (;;) 
  41. pause(); 
  42. fprintf(stderr, "Error: infinite loop terminated\n"); 
  43. return 42; 
  44. }  
    45. 重點關注一下 35 行和 13 行，這個不就是我們上面說的。
    • 除了這種方式外，還可以通過異步的方式來進行回收，這種方式的基礎是子進程結束之后會向父進程發送 SIGCHLD 信號，基于此父進程注冊一個 SIGCHLD 信號的處理函數來進行子進程的資源回收就可以了。
    SIGCHLD 信號的處理函數核心就是這一行 while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) ，其中 WNOHANG 參數是為了讓父進程直接返回不阻塞。
    總結 
    容器化改造的路非常漫長，對于很多業務同學在改造的過程中由于一些思維的慣性就想把容器當成一個虛擬機來使用，這個可能會導致非常多的問題。或許我們可以探究一些容器的設計模式，以便進行更好的實踐。
                
    
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