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Linux内核的namespace机制分析

1.  Linux内核namespace机制

Linux Namespaces机制提供一种资源隔离方案。PID,IPC,Network等系统资源不再是全局性的,而是属于某个特定的Namespace。每个namespace下的资源对于其他namespace下的资源都是透明,不可见的。因此在操作系统层面上看,就会出现多个相同pid的进程。系统中可以同时存在两个进程号为0,1,2的进程,由于属于不同的namespace,所以它们之间并不冲突。而在用户层面上只能看到属于用户自己namespace下的资源,例如使用ps命令只能列出自己namespace下的进程。这样每个namespace看上去就像一个单独的Linux系统。

2 .  Linux内核中namespace结构体

在Linux内核中提供了多个namespace,其中包括fs (mount), uts, network, sysvipc, 等。一个进程可以属于多个namesapce,既然namespace和进程相关,那么在task_struct结构体中就会包含和namespace相关联的变量。在task_struct 结构中有一个指向namespace结构体的指针nsproxy。

struct task_struct {

……..

/* namespaces */

        struct nsproxy *nsproxy;

…….

}

再看一下nsproxy是如何定义的,在include/linux/nsproxy.h文件中,这里一共定义了5个各自的命名空间结构体,在该结构体中定义了5个指向各个类型namespace的指针,由于多个进程可以使用同一个namespace,所以nsproxy可以共享使用,count字段是该结构的引用计数。

/* ‘count’ is the number of tasks holding a reference.

 * The count for each namespace, then, will be the number

 * of nsproxies pointing to it, not the number of tasks.

 * The nsproxy is shared by tasks which share all namespaces.

 * As soon as a single namespace is cloned or unshared, the

 * nsproxy is copied

*/

struct nsproxy {

        atomic_t count;

        struct uts_namespace *uts_ns;

        struct ipc_namespace *ipc_ns;

        struct mnt_namespace *mnt_ns;

        struct pid_namespace *pid_ns_for_children;

        struct net            *net_ns;

};

(1)    UTS命名空间包含了运行内核的名称、版本、底层体系结构类型等信息。UTS是UNIX Timesharing System的简称。

(2)    保存在struct ipc_namespace中的所有与进程间通信(IPC)有关的信息。

(3)    已经装载的文件系统的视图,在struct mnt_namespace中给出。

(4)    有关进程ID的信息,由struct pid_namespace提供。

(5)    struct net_ns包含所有网络相关的命名空间参数。

系统中有一个默认的nsproxy,init_nsproxy,该结构在task初始化是也会被初始化。#define INIT_TASK(tsk)  \

{

        .nsproxy  = &init_nsproxy,       

}

其中init_nsproxy的定义为:

static struct kmem_cache *nsproxy_cachep;

 

struct nsproxy init_nsproxy = {

        .count                        = ATOMIC_INIT(1),

        .uts_ns                      = &init_uts_ns,

#if defined(CONFIG_POSIX_MQUEUE) || defined(CONFIG_SYSVIPC)

        .ipc_ns                        = &init_ipc_ns,

#endif

        .mnt_ns                      = NULL,

        .pid_ns_for_children        = &init_pid_ns,

#ifdef CONFIG_NET

        .net_ns                      = &init_net,

#endif

};

对于        .mnt_ns  没有进行初始化,其余的namespace都进行了系统默认初始。
 

3. 使用clone创建自己的Namespace

如果要创建自己的命名空间,可以使用系统调用clone(),它在用户空间的原型为

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg)

这里fn是函数指针,这个就是指向函数的指针,, child_stack是为子进程分配系统堆栈空间,flags就是标志用来描述你需要从父进程继承那些资源, arg就是传给子进程的参数也就是fn指向的函数参数。下面是flags可以取的值。这里只关心和namespace相关的参数。

CLONE_FS          子进程与父进程共享相同的文件系统,包括root、当前目录、umask

CLONE_NEWNS    当clone需要自己的命名空间时设置这个标志,不能同时设置CLONE_NEWS和CLONE_FS。

Clone()函数是在libc库中定义的一个封装函数,它负责建立新轻量级进程的堆栈并且调用对编程者隐藏了clone系统条用。实现clone()系统调用的sys_clone()服务例程并没有fn和arg参数。封装函数把fn指针存放在子进程堆栈的每个位置处,该位置就是该封装函数本身返回地址存放的位置。Arg指针正好存放在子进程堆栈中的fn的下面。当封装函数结束时,CPU从堆栈中取出返回地址,然后执行fn(arg)函数。

/* Prototype for the glibc wrapper function */

      #include <sched.h>

      int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,

                int flags, void *arg, …

                /* pid_t *ptid, struct user_desc *tls, pid_t *ctid */ );

      /* Prototype for the raw system call */

      long clone(unsigned long flags, void *child_stack,

                void *ptid, void *ctid,

                struct pt_regs *regs);

        我们在Linux内核中看到的实现函数,是经过libc库进行封装过的,在Linux内核中的fork.c文件中,有下面的定义,最终调用的都是do_fork()函数。

#ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE

#ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS

SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,

                    int __user *, parent_tidptr,

                    int, tls_val,

                    int __user *, child_tidptr)

#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS2)

SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, newsp, unsigned long, clone_flags,

                    int __user *, parent_tidptr,

                    int __user *, child_tidptr,

                    int, tls_val)

#elif defined(CONFIG_CLONE_BACKWARDS3)

SYSCALL_DEFINE6(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,

                  int, stack_size,

                  int __user *, parent_tidptr,

                  int __user *, child_tidptr,

                  int, tls_val)

#else

SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,

                    int __user *, parent_tidptr,

                    int __user *, child_tidptr,

                    int, tls_val)

#endif

{

        return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);

}

#endif

3.1  do_fork函数

        在clone()函数中调用do_fork函数进行真正的处理,在do_fork函数中调用copy_process进程处理。

long do_fork(unsigned long clone_flags,

              unsigned long stack_start,

              unsigned long stack_size,

              int __user *parent_tidptr,

              int __user *child_tidptr)

{

        struct task_struct *p;

        int trace = 0;

        long nr;

 

        /*

          * Determine whether and which event to report to ptracer.  When

          * called from kernel_thread or CLONE_UNTRACED is explicitly

          * requested, no event is reported; otherwise, report if the event

          * for the type of forking is enabled.

          */

        if (!(clone_flags & CLONE_UNTRACED)) {

                  if (clone_flags & CLONE_VFORK)

                            trace = PTRACE_EVENT_VFORK;

                  else if ((clone_flags & CSIGNAL) != SIGCHLD)

                            trace = PTRACE_EVENT_CLONE;

                  else

                            trace = PTRACE_EVENT_FORK;

 

                  if (likely(!ptrace_event_enabled(current, trace)))

                            trace = 0;

        }

 

        p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,

                            child_tidptr, NULL, trace);

        /*

          * Do this prior waking up the new thread – the thread pointer

          * might get invalid after that point, if the thread exits quickly.

          */

        if (!IS_ERR(p)) {

                  struct completion vfork;

                  struct pid *pid;

 

                  trace_sched_process_fork(current, p);

 

                  pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);

                  nr = pid_vnr(pid);

 

                  if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)

                            put_user(nr, parent_tidptr);

 

                  if (clone_flags & CLONE_VFORK) {

                            p->vfork_done = &vfork;

                            init_completion(&vfork);

                            get_task_struct(p);

                  }

 

                  wake_up_new_task(p);

 

                  /* forking complete and child started to run, tell ptracer */

                  if (unlikely(trace))

                            ptrace_event_pid(trace, pid);

 

                  if (clone_flags & CLONE_VFORK) {

                            if (!wait_for_vfork_done(p, &vfork))

                                    ptrace_event_pid(PTRACE_EVENT_VFORK_DONE, pid);

                  }

 

                  put_pid(pid);

        } else {

                  nr = PTR_ERR(p);

        }

        return nr;

}

本文永久更新链接地址:http://www.linuxidc.com/Linux/2015-02/113022.htm

3.2  copy_process函数

在copy_process函数中调用copy_namespaces函数。

static struct task_struct *copy_process(unsigned long clone_flags,

                                              unsigned long stack_start,

                                              unsigned long stack_size,

                                              int __user *child_tidptr,

                                              struct pid *pid,

                                              int trace)

{

          int retval;

          struct task_struct *p;

/*下面的代码是对clone_flag标志进行检查,有部分表示是互斥的,例如CLONE_NEWNS和CLONENEW_FS*/

          if ((clone_flags & (CLONE_NEWNS|CLONE_FS)) == (CLONE_NEWNS|CLONE_FS))

                  return ERR_PTR(-EINVAL);

 

          if ((clone_flags & (CLONE_NEWUSER|CLONE_FS)) == (CLONE_NEWUSER|CLONE_FS))

                  return ERR_PTR(-EINVAL);

 

          if ((clone_flags & CLONE_THREAD) && !(clone_flags & CLONE_SIGHAND))

                  return ERR_PTR(-EINVAL);

 

          if ((clone_flags & CLONE_SIGHAND) && !(clone_flags & CLONE_VM))

                  return ERR_PTR(-EINVAL);

 

          if ((clone_flags & CLONE_PARENT) &&

                                      current->signal->flags & SIGNAL_UNKILLABLE)

                  return ERR_PTR(-EINVAL);

 

……

retval = copy_namespaces(clone_flags, p);

          if (retval)

                  goto bad_fork_cleanup_mm;

          retval = copy_io(clone_flags, p);

          if (retval)

                  goto bad_fork_cleanup_namespaces;

          retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);

          if (retval)

                  goto bad_fork_cleanup_io;

/*do_fork中调用copy_process函数,该函数中pid参数为NULL,所以这里的if判断是成立的。为进程所在的namespace分配pid,在3.0的内核之前还有一个关键函数,就是namespace创建后和cgroup的关系,

if (current->nsproxy != p->nsproxy) {

retval = ns_cgroup_clone(p, pid);

if (retval)

goto bad_fork_free_pid;

但在3.0内核以后给删掉了,具体请参考remove the ns_cgroup*/

          if (pid != &init_struct_pid) {

                  retval = -ENOMEM;

                  pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);

                  if (!pid)

                            goto bad_fork_cleanup_io;

          }…..

}

3.3  copy_namespaces 函数

        在kernel/nsproxy.c文件中定义了copy_namespaces函数。

int copy_namespaces(unsigned long flags, struct task_struct *tsk)

{

        struct nsproxy *old_ns = tsk->nsproxy;

        struct user_namespace *user_ns = task_cred_xxx(tsk, user_ns);

        struct nsproxy *new_ns;

 /*首先检查flag,如果flag标志不是下面的五种之一,就会调用get_nsproxy对old_ns递减引用计数,然后直接返回0*/

        if (likely(!(flags & (CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC |

                                  CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNET)))) {

                  get_nsproxy(old_ns);

                  return 0;

        }

  /*当前进程是否有超级用户的权限*/

        if (!ns_capable(user_ns, CAP_SYS_ADMIN))

                  return -EPERM;

 

        /*

          * CLONE_NEWIPC must detach from the undolist: after switching

          * to a new ipc namespace, the semaphore arrays from the old

          * namespace are unreachable.  In clone parlance, CLONE_SYSVSEM

          * means share undolist with parent, so we must forbid using

          * it along with CLONE_NEWIPC.

          对CLONE_NEWIPC进行特殊的判断,*/

        if ((flags & (CLONE_NEWIPC | CLONE_SYSVSEM)) ==

                  (CLONE_NEWIPC | CLONE_SYSVSEM)) 

                  return -EINVAL;

 /*为进程创建新的namespace*/

        new_ns = create_new_namespaces(flags, tsk, user_ns, tsk->fs);

        if (IS_ERR(new_ns))

                  return  PTR_ERR(new_ns);

 

        tsk->nsproxy = new_ns;

        return 0;

}

3.4  create_new_namespaces函数

create_new_namespaces创建新的namespace

static struct nsproxy *create_new_namespaces(unsigned long flags,

        struct task_struct *tsk, struct user_namespace *user_ns,

        struct fs_struct *new_fs)

{

        struct nsproxy *new_nsp;

        int err;

    /*为新的nsproxy分配内存空间,并对其引用计数设置为初始1*/

        new_nsp = create_nsproxy();

        if (!new_nsp)

                  return ERR_PTR(-ENOMEM);

  /*如果Namespace中的各个标志位进行了设置,则会调用相应的namespace进行创建*/

        new_nsp->mnt_ns = copy_mnt_ns(flags, tsk->nsproxy->mnt_ns, user_ns, new_fs);

        if (IS_ERR(new_nsp->mnt_ns)) {

                  err = PTR_ERR(new_nsp->mnt_ns);

                  goto out_ns;

        }

 

        new_nsp->uts_ns = copy_utsname(flags, user_ns, tsk->nsproxy->uts_ns);

        if (IS_ERR(new_nsp->uts_ns)) {

                  err = PTR_ERR(new_nsp->uts_ns);

                  goto out_uts;

        }

 

        new_nsp->ipc_ns = copy_ipcs(flags, user_ns, tsk->nsproxy->ipc_ns);

        if (IS_ERR(new_nsp->ipc_ns)) {

                  err = PTR_ERR(new_nsp->ipc_ns);

                  goto out_ipc;

        }

 

        new_nsp->pid_ns_for_children =

                  copy_pid_ns(flags, user_ns, tsk->nsproxy->pid_ns_for_children);

        if (IS_ERR(new_nsp->pid_ns_for_children)) {

                  err = PTR_ERR(new_nsp->pid_ns_for_children);

                  goto out_pid;

        }

 

        new_nsp->net_ns = copy_net_ns(flags, user_ns, tsk->nsproxy->net_ns);

        if (IS_ERR(new_nsp->net_ns)) {

                  err = PTR_ERR(new_nsp->net_ns);

                  goto out_net;

        }

 

        return new_nsp;

 

out_net:

        if (new_nsp->pid_ns_for_children)

                  put_pid_ns(new_nsp->pid_ns_for_children);

out_pid:

        if (new_nsp->ipc_ns)

                  put_ipc_ns(new_nsp->ipc_ns);

out_ipc:

        if (new_nsp->uts_ns)

                  put_uts_ns(new_nsp->uts_ns);

out_uts:

        if (new_nsp->mnt_ns)

                  put_mnt_ns(new_nsp->mnt_ns);

out_ns:

        kmem_cache_free(nsproxy_cachep, new_nsp);

        return ERR_PTR(err);

}

3.4.1 create_nsproxy函数

static inline struct nsproxy *create_nsproxy(void)

{

        struct nsproxy *nsproxy;

 

        nsproxy = kmem_cache_alloc(nsproxy_cachep, GFP_KERNEL);

        if (nsproxy)

                  atomic_set(&nsproxy->count, 1);

        return nsproxy;

}

 

例子1:namespace pid的例子

 

#include <errno.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

#include <sched.h>

#include <string.h>

 

static int fork_child(void *arg)

{

        int a = (int)arg;

        int i;

        pid_t pid;

        char *cmd  = “ps -el;

        printf(“In the container, my pid is: %d\n”, getpid());

 /*ps命令是解析procfs的内容得到结果的,而procfs根目录的进程pid目录是基于mount当时的pid namespace的,这个在procfs的get_sb回调中体现的。因此只需要重新mount一下proc, mount -t proc proc /proc*/

        mount(“proc”, “/proc”, “proc”, 0, “”);

        for (i = 0; i <a; i++) {

                  pid = fork();

                  if (pid <0)

                            return pid;

                  else if (pid)

                            printf(“pid of my child is %d\n”, pid);

                  else if (pid == 0) {

                            sleep(30);

                            exit(0);

                  }

        }

        execl(“/bin/bash”, “/bin/bash”,”-c”,cmd, NULL);

        return 0;

}

int main(int argc, char *argv[])

{

        int cpid;

        void *childstack, *stack;

        int flags;

        int ret = 0;

        int stacksize = getpagesize() * 4;

        if (argc != 2) {

                  fprintf(stderr, “Wrong usage.\n”);

                  return -1;

        }

        stack = malloc(stacksize);

        if(stack == NULL)

        {

                  return -1;

        }

        printf(“Out of the container, my pid is: %d\n”, getpid());

        childstack = stack + stacksize;

        flags = CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS;

        cpid = clone(fork_child, childstack, flags, (void *)atoi(argv[1]));

        printf(“cpid: %d\n”, cpid);

        if (cpid <0) {

                  perror(“clone”);

                  ret = -1;

                  goto out;

        }

        fprintf(stderr, “Parent sleeping 20 seconds\n”);

        sleep(20);

        ret = 0;

out:

        free(stack);

        return ret;

}

}运行结果:

root@Ubuntu:~/c_program# ./namespace 7 

Out of the container, my pid is: 8684

cpid: 8685

Parent sleeping 20 seconds

In the container, my pid is: 1

pid of my child is 2

pid of my child is 3

pid of my child is 4

pid of my child is 5

pid of my child is 6

pid of my child is 7

pid of my child is 8

F S  UID  PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD

4 R    0    1    0  0  80  0 –  1085 –      pts/0    00:00:00 ps

1 S    0    2    1  0  80  0 –  458 hrtime pts/0    00:00:00 namespace

1 S    0    3    1  0  80  0 –  458 hrtime pts/0    00:00:00 namespace

1 S    0    4    1  0  80  0 –  458 hrtime pts/0    00:00:00 namespace

1 S    0    5    1  0  80  0 –  458 hrtime pts/0    00:00:00 namespace

1 S    0    6    1  0  80  0 –  458 hrtime pts/0    00:00:00 namespace

1 S    0    7    1  0  80  0 –  458 hrtime pts/0    00:00:00 namespace

1 S    0    8    1  0  80  0 –  458 hrtime pts/0    00:00:00 namespace

例子2:UTS的例子

#define _GNU_SOURCE

#include <sys/wait.h>

#include <sys/utsname.h>

#include <sched.h>

#include <string.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

 

#define errExit(msg)    do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); \

} while (0)

 

        static int              /* Start function for cloned child */

childFunc(void *arg)

{

        struct utsname uts;

        /* Change hostname in UTS namespace of child */

        if (sethostname(arg, strlen(arg)) == -1)

                  errExit(“sethostname”);

        /* Retrieve and display hostname */

        if (uname(&uts) == -1)

                  errExit(“uname”);

        printf(“uts.nodename in child:  %s\n”, uts.nodename);

        /* Keep the namespace open for a while, by sleeping.

          *              This allows some experimentation–for example, another

          *                            process might join the namespace. */

        sleep(200);

        return 0;          /* Child terminates now */

}

#define STACK_SIZE (1024 * 1024)    /* Stack size for cloned child */

 

        int

main(int argc, char *argv[])

{

        char *stack;                    /* Start of stack buffer */

        char *stackTop;                /* End of stack buffer */

        pid_t pid;

        struct utsname uts;

        if (argc < 2) {

                  fprintf(stderr, “Usage: %s <child-hostname>\n”, argv[0]);

                  exit(EXIT_SUCCESS);

        }

        /* Allocate stack for child */

        stack = malloc(STACK_SIZE);

        if (stack == NULL)

                  errExit(“malloc”);

        stackTop = stack + STACK_SIZE;  /* Assume stack grows downward */

        /* Create child that has its own UTS namespace;

          *              child commences execution in childFunc() */

        pid = clone(childFunc, stackTop, CLONE_NEWUTS | SIGCHLD, argv[1]);

        if (pid == -1)

                  errExit(“clone”);

        printf(“clone() returned %ld\n”, (long) pid);

        /* Parent falls through to here */

        sleep(1);          /* Give child time to change its hostname */

 

        /* Display hostname in parent’s UTS namespace. This will be

          *              different from hostname in child’s UTS namespace. */

 

        if (uname(&uts) == -1)

                  errExit(“uname”);

        printf(“uts.nodename in parent: %s\n”, uts.nodename);

        if (waitpid(pid, NULL, 0) == -1)    /* Wait for child */

                  errExit(“waitpid”);

        printf(“child has terminated\n”);

        exit(EXIT_SUCCESS);

}

root@ubuntu:~/c_program# ./namespace_1 test

clone() returned 4101

uts.nodename in child:  test

uts.nodename in parent: ubuntu

本文永久更新链接地址:http://www.linuxidc.com/Linux/2015-02/113022.htm

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