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Linux Namespace

本文轉載自   查看原文   2013-12-25 20:21   3450    Linux Kernel

 

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一、Linux Namespace

        Linux Namespace是Linux提供的一種OS-level virtualization的方法。目前在Linux系統上實現OS-level virtualization的系統有Linux VServer、OpenVZ、LXC Linux Container、Virtuozzo等，其中Virtuozzo是OpenVZ的商業版本。以上種種本質來說都是使用了Linux Namespace來進行隔離。

        那么究竟什么是Linux Namespace？Linux很早就實現了一個系統調用chroot，該系統調用能夠為進程提供一個限制的文件系統。雖然文件系統的隔離要比單純的chroot復雜的多，但是至少chroot提供了一種簡單的隔離模式：chroot內部的文件系統無法訪問外部的內容。Linux Namespace在此基礎上，提供了對UTS、IPC、mount、PID、network的隔離機制，例如對不同的PID namespace中的進程無法看到彼此，而且每個PID namespace中的進程PID都是單獨制定的。這一點對OS-level Virtualization非常有用，這是因為：對於不同的Linux運行環境中，都有一個init進程，其PID=0，由於不同的PID namespace中都可以指定自己的0號進程，所以可以通過該技術來進行PID環境的隔離。

        OS-level Virtualization相比其他的虛擬化技術更加輕量級。

        Linux在使用Namespace的時候，需要顯式的在配置中指定將那些Namespace的支持編譯到內核中。

二、數據結構

        我們可以在struct task_struct中找到對應的namespace結構。

<sched.h>

1 struct task_struct { 
2 ... 
3     struct nsproxy *nsproxy; 
4 ... 
5 };

        nsproxy就是每個進程自己的namespace，結構如下：

<nsproxy.h>

1 struct nsproxy { 
2     atomic_t count; 
3     struct uts_namespace *uts_ns; 
4     struct ipc_namespace *ipc_ns; 
5     struct mnt_namespace *mnt_ns; 
6     struct pid_namespace *pid_ns; 
7     struct net          *net_ns; 
8 }; 
9 extern struct nsproxy init_nsproxy;

 

        具體的參考后文，可以看到有一個init_nsproxy，這個全局初始化使用的nsproxy，也是init進程使用的nsproxy。

三、UTS namespace

        我們在這里只介紹兩種namespace：UTS namespace和PID namespace，是因為這兩種namespace比較有代表性。UTS namespace很簡單，也沒有樹形或者很復雜的結構。struct uts_namespace結構如下：

<utsname.h>

1 struct uts_namespace { 
2     struct kref kref; 
3     struct new_utsname name; 
4     struct user_namespace *user_ns; 
5 }; 
6 extern struct uts_namespace init_uts_ns;

 

        可以看到uts_namespace中只關心utsname域（name）和user_namespace域（user_ns）。老版本的Linux user_namespace是在nsproxy中的，新版本放在了uts_namespace中。這部分的結構如下：

85677792[4]

        需要說明的是，這張圖是比較老的Linux Kernel，其中user_namespace還在nsproxy結構中。對於uts_namespace，由於不需要維護像pid_namespace那樣復雜的樹狀結構和復雜的搜索需求，所以對於每個uts_namespace只需要維護一個實例就可以了。

四、進程的若干個ID的意義
  • PID：Process ID，進程ID，即進程的唯一標識
  • TGID：處於某個線程組中的所有進程都有統一的線程組ID（Thread Group IP，TGID）。線程可以用clone加CLONE_THREAD來創建。線程組中的主進程成為group leader，可以通過線程組中任何線程的的task_struct->group_leader成員獲得。
  • 獨立進程可以合並成進程組（使用setpgrp系統調用）。進程組成員的task_struct->pgrp屬性值都是相同的（PGID），即進程組組長的PID。用管道連接的進程在一個進程組中。
  • 幾個進程組可以合並成一個會話。會話中所有進程都有同樣的SID（Session ID，會話ID），保存在task_struct->session中。SID可以通過setsid系統調用設置。
五、PID namespace

        task_struct中有幾個成員是與PID有關的，如下：

<sched.h>

1 struct task_struct{ 
2 ... 
3     pid_t pid; 
4     pid_t tgid; 
5 ... 
6     struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; 
7 ... 
8 }

 

        對於所有的進程來說，都有兩種ID（包含PID、TGID、PGRP、SID）：一個是全局的ID，保存在task_struct->pid中；另一個是局部的ID，即屬於某個特定的命名空間的ID。對於task_struct->pids數組，數組編號的定義如下：

<pid.h>

1 enum pid_type 
2 { 
3     PIDTYPE_PID, 
4     PIDTYPE_PGID, 
5     PIDTYPE_SID, 
6     PIDTYPE_MAX 
7 };

 

        可以看到這里只定義了PID、PGID和SID，至於TGID（線程組ID）無非是線程組組長的ID，所以就不需要用特殊的結構來組織了。

        下面給出struct pid_link的結構：

<pid.h>

1 struct pid_link 
2 { 
3     struct hlist_node node; 
4     struct pid *pid; 
5 };

 

        pid_link包含兩個成員，node用來組織struct task_struct和struct pid的關系，后面會降到，pid則指向對應的struct pid結構。可以看到，給出指定的task_struct，可以通過task_struct->pids[pid_type]->pid來找到對應的pid結構。下面給出struct pid結構定義：

<pid.h>

1 struct pid 
2 { 
3     atomic_t count; 
4     unsigned int level; 
5     /* lists of tasks that use this pid */ 
6     struct hlist_head tasks[PIDTYPE_MAX]; 
7     struct rcu_head rcu; 
8     struct upid numbers[1]; 
9 };

 

        其中count表示該pid結構被引用的次數，level表示該pid結構對應多少層的namespace，tasks則反向指向與該pid相連的task_struct，即上文所述pid_link->node就是組織在pid->tasks中的，rcu是將所有struct pid組織起來的輔助結構，numbers成員中存儲的是struct upid結構，該結構是pid與pid_namespace相關聯的結構。這里需要注意，雖然numbers成員數組大小只有1，其實這種定義只是說明了：struct pid中的numbers事實上是一個數組，其長度至少為1（即只有一層namespace的情況）；對於pid屬於多層namespace的情況，該數組是可以動態擴張的。struct pid定義如下：

<pid.h>

1 struct upid { 
2     /* Try to keep pid_chain in the same cacheline as nr for find_vpid */ 
3     int nr; 
4     struct pid_namespace *ns; 
5     struct hlist_node pid_chain; 
6 };

 

        nr表示ID的數值，我們使用ls命令得到的進程的各種ID就是保存在這里，ns存儲的是指向namespace的結構。此外，所有的upid都保存在一個散列表中，通過upid->pid_chain組織。散列表的表頭定義在：

<kernel/pid.c>

1 static struct hlist_head *pidhash;

 

        對於upid指向的pid_namespace，定義如下：

<pid_namespace.h>

 1 struct pid_namespace { 
 2     struct kref kref; 
 3     struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES]; 
 4     int last_pid; 
 5     struct task_struct *child_reaper; 
 6     struct kmem_cache *pid_cachep; 
 7     unsigned int level; 
 8     struct pid_namespace *parent; 
 9 #ifdef CONFIG_PROC_FS 
10     struct vfsmount *proc_mnt; 
11 #endif 
12 #ifdef CONFIG_BSD_PROCESS_ACCT 
13     struct bsd_acct_struct *bacct; 
14 #endif 
15 };

        其中，kref保存實例被引用的次數；pidmap是一個位圖，保存該namespace中pid的分配情況；last_pid保存上一個分配的pid；對於每個namespace來說，都有一個進程來扮演Linux中init進程的角色，對所有的僵死進程執行wait4操作，child_reaper指向的就是這個進程（一般來說都是當前namespace中的0號進程）；pid_cachep是一個kmem_cache對象，用來加速pid的分配，具體可以參考“Linux的物理內存管理”；level表示該namespace在整個命名空間的層次；parent表示該namespace的父namespace；proc_mnt表示在/proc文件系統的顯示結構；bacct保存BSD進程加速的結構。后兩者我們在這里不涉及。

        整個數據結構的組織如下圖：

3710358[4]

        可以看到圖分為四個部分：

  • 左下角的部分是PID namespace自己的組織結構，即是一個樹形的結構。struct pid_namespace自成體系，除了child_reaper之外並沒有更多和外部的聯系。
  • 右下角是所有的struct upid組成的散列表，通過pidhash為表頭的散列表組織，便於對upid的查找。
  • 右上角是使用pid的struct task_struct，不同的進程可能對應到同一個struct pid，例如同一個進程組的task_struct->pid[PIDTYPE_PGID]，即同一進程組進程的進程組ID是相同的，指向同一個pid實例。
  • 中間處於最核心地位的是struct pid，可以看到struct pid可以通過其task成員數組來找到所有指向該pid的pid_link結構，從而找到對應的task_struct；此外struct pid還可以通過其numbers成員數組來獲得該struct pid所屬的不同層次的pid_namespace，二者的連接通過struct upid建立。

        總結來說，struct task_struct和其對應的struct pid通過struct pid_link連接，每個struct pid實例通過struct upid來和對應不同層次的struct pid_namespace連接。真正的PID值保存在struct upid結構中，這也是為什么需要將struct upid通過pidhash組織起來的原因。

六、getpid系統調用路徑

        getpid調用到系統調用sys_getpid，定義在timer.c中的SYSCALL_DEFINE0(getpid)，之后的調用路徑為：

 

SYSCALL_DEFINE0(getpid)->task_tgid_vnr(current)->pid_vnr()->pid_nr_ns()

 

        最終獲得當前進程所屬命名空間看到的線程組leader的局部pid。可以通過上述路徑的代碼來得到一個簡單的pid_namespace使用實例。由於代碼很簡單，在這里就不詳細說明了。

七、Kernel中pid_namespace相關的函數

  • void attach_pid(struct task_struct *task, enum pid_type type, struct pid *pid)；

    將新申請的struct pid實例連接到指定的task。

  • static inline struct pid *task_pid(struct task_struct *task)；
    獲得與task_struct相關聯的PID的struct pid實例。
  • static inline struct pid *task_pgrp(struct task_struct *task)；
    獲得與task_struct相關聯的PGRP的struct pid實例。
  • pid_t pid_nr_ns(struct pid *pid, struct pid_namespace *ns)；
    獲得struct pid之后，從其numbers數組中的upid得到指定ns中的pid數值。
  • pid_t pid_vnr(struct pid *pid);
    獲得struct pid實例在當前進程所屬pid_namespace中的pid數值。
  • static inline pid_t pid_nr(struct pid *pid)；
    獲得struct pid全局的pid數值。

  • static inline pid_t task_pid_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);
    pid_t task_tgid_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);

    static inline pid_t task_pgrp_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);

    static inline pid_t task_session_nr_ns(struct task_struct *tsk, struct pid_namespace *ns);
    分別表示獲得進程在對應namespace中的PID/TGID/PGRP/SID的值。

  • struct pid *find_pid_ns(int nr, struct pid_namespace *ns);
    通過PID數值和指定namespace找到對應的struct pid結構。該函數的實現以來於pidhash組織的散列表。

  • find_task_by_pid_type_ns：通過pid數值、type、namespace找到對應的struct task_struct。
    find_task_by_pid_ns：通過pid數值和進程namespace找到對應的struct task_struct。
    find_task_by_vpid：根據pid數值在當前進程所處namespace（即局部的數字pid）來找到對應的進程。
    find_task_by_pid：根據pid數值在全局的namespace來找到對應的進程

  • struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns);
    在指定namespace中分配一個struct pid結構。

        我們來詳細分析一下alloc_pid代碼：

<pid.c>

 1 struct pid *alloc_pid(struct pid_namespace *ns) 
 2 { 
 3     struct pid *pid; 
 4     enum pid_type type; 
 5     int i, nr; 
 6     struct pid_namespace *tmp; 
 7     struct upid *upid; 
 8     // 在ns->pid_cachep指定的cache中分配struct pid 
 9     pid = kmem_cache_alloc(ns->pid_cachep, GFP_KERNEL); 
10     if (!pid) 
11         goto out; 
12     // 對指定namespace中每一層 
13     // 通過alloc_pidmap函數分配在該層namespace對應的pid數值 
14     // 保存在upid的numbers數組中 
15     tmp = ns; 
16     for (i = ns->level; i >= 0; i--) { 
17         nr = alloc_pidmap(tmp); 
18         if (nr < 0) 
19             goto out_free; 
20         pid->numbers[i].nr = nr; 
21         pid->numbers[i].ns = tmp; 
22         tmp = tmp->parent; 
23     } 
24     // get_pid_ns增加對應ns的引用數 
25     get_pid_ns(ns); 
26     // 設置struct pid的層次 
27     pid->level = ns->level; 
28     // 設置struct pid的引用數 
29     atomic_set(&pid->count, 1); 
30     // 初始化pid->tasks數組 
31     for (type = 0; type < PIDTYPE_MAX; ++type) 
32         INIT_HLIST_HEAD(&pid->tasks[type]); 
33     // 將struct pid中numbers數組保存的upid添加到pidhash中 
34     upid = pid->numbers + ns->level; 
35     spin_lock_irq(&pidmap_lock); 
36     for ( ; upid >= pid->numbers; --upid) 
37         hlist_add_head_rcu(&upid->pid_chain, 
38             &pid_hash[pid_hashfn(upid->nr, upid->ns)]); 
39     spin_unlock_irq(&pidmap_lock); 
40 // 成功返回 
41 out: 
42     return pid; 
43 // 錯誤處理 
44 out_free: 
45     while (++i <= ns->level) 
46         free_pidmap(pid->numbers + i); 
47     kmem_cache_free(ns->pid_cachep, pid); 
48     pid = NULL; 
49     goto out; 
50 }

 

 

        文中圖片來自《深入Linux內核架構》，代碼來自Kernel-3.2.0-rc1。轉載請注明出處。

 


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