namespace 的概念

namespace是Linux内核用来隔离内核资源的方式。通过 namespace 可以让一些进程只能看到与自己相关的一部分资源，而另外一些进程也只能看到与它们自己相关的资源，彼此感觉不到对方的存在。具体的实现方式是把一个或多个进程的相关资源指定在同一个 namespace 中

Linux namespaces是对全局系统资源的一种封装隔离，使得处于不同 namespace 的进程拥有独立的全局系统资源，改变一个 namespace 中的系统资源只会影响当前namespace 里的进程，对其他 namespace 中的进程没有影响

namespace 的用途

Linux 内核实现namespace的一个主要目的就是实现轻量级虚拟化(容器)服务，在同一个 namespace下的进程可以感知彼此的变化，而对外界的进程一无所知。这样就可以让容器中的进程产生错觉，认为自己置身于一个独立的系统中，从而达到隔离的目的。也就是说 linux 内核提供的 namespace 技术为 docker 等容器技术的出现和发展提供了基础条件， linux内核的namespace特性为我们提供了什么样的隔离能力：

上表中namespace正是实现容器必须的隔离技术

namespace 的发展历史

Linux 在很早的版本中就实现了部分的 namespace，比如内核 2.4 就实现了 mount namespace。大多数的 namespace 支持是在内核 2.6 中完成的，比如 IPC、Network、PID、和 UTS。还有个别的 namespace 比较特殊，比如 User，从内核 2.6 就开始实现了，但在内核 3.8 中才宣布完成。同时，随着 Linux 自身的发展以及容器技术持续发展带来的需求，也会有新的 namespace 被支持，比如在内核 4.6 中就添加了 Cgroup namespace

Linux 提供了多个 API 用来操作 namespace，它们是 clone()、setns() 和 unshare() 函数，为了确定隔离的到底是哪项 namespace，在使用这些 API 时，通常需要指定一些调用参数：CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWNET、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWUTS 和 CLONE_NEWCGROUP。如果要同时隔离多个 namespace，可以使用 | (按位或)组合这些参数。同时我们还可以通过 /proc 下面的一些文件来操作 namespace。下面就让让我们看看这些接口的简要用法

查看进程所属的 namespace

从版本号为 3.8 的内核开始，/proc/[pid]/ns 目录下会包含进程所属的 namespace 信息，使用下面的命令可以查看当前进程所属的 namespace 信息：

[root@VM-10-233-centos ~]#  ll /proc/$$/ns
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep  8 17:12 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep  8 17:12 mnt -> mnt:[4026531840]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep  8 17:12 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep  8 17:12 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep  8 17:12 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep  8 17:12 uts -> uts:[4026531838]

首先，这些 namespace 文件都是链接文件。链接文件的内容的格式为 xxx:[inode number]。其中的 xxx 为 namespace 的类型，inode number 则用来标识一个 namespace，我们也可以把它理解为 namespace 的 ID。如果两个进程的某个 namespace 文件指向同一个链接文件，说明其相关资源在同一个 namespace 中。
其次，在 /proc/[pid]/ns 里放置这些链接文件的另外一个作用是，一旦这些链接文件被打开，只要打开的文件描述符(fd)存在，那么就算该 namespace 下的所有进程都已结束，这个 namespace 也会一直存在，后续的进程还可以再加入进来，除了打开文件的方式，我们还可以通过文件挂载的方式阻止 namespace 被删除。比如我们可以把当前进程中的 uts 挂载到 ~/uts 文件

[root@VM-10-233-centos ~]#  touch ~/uts
[root@VM-10-233-centos ~]#  sudo mount --bind /proc/$$/ns/uts ~/uts
[root@VM-10-233-centos ~]#  stat ~/uts
  File: ‘/root/uts’
  Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 1024   regular empty file
Device: 3h/3d	Inode: 4026531838  Links: 1
Access: (0444/-r--r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2021-09-08 17:15:19.710793838 +0800
Modify: 2021-09-08 17:15:19.710793838 +0800
Change: 2021-09-08 17:15:19.710793838 +0800
 Birth: -

很神奇吧，~/uts 的 inode 和链接文件中的 inode number 是一样的，它们是同一个文件

clone() 函数

可以通过 clone() 在创建新进程的同时创建 namespace。clone() 在 C 语言库中的声明如下：

/* Prototype for the glibc wrapper function */
#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

实际上，clone() 是在 C 语言库中定义的一个封装(wrapper)函数，它负责建立新进程的堆栈并且调用对编程者隐藏的 clone() 系统调用。Clone() 其实是 linux 系统调用 fork() 的一种更通用的实现方式，它可以通过 flags 来控制使用多少功能。一共有 20 多种 CLONE_ 开头的 falg(标志位) 参数用来控制 clone 进程的方方面面(比如是否与父进程共享虚拟内存等)，下面我们只介绍与 namespace 相关的 4 个参数：

• fn：指定一个由新进程执行的函数。当这个函数返回时，子进程终止。该函数返回一个整数，表示子进程的退出代码。
• child_stack：传入子进程使用的栈空间，也就是把用户态堆栈指针赋给子进程的 esp 寄存器。调用进程(指调用 clone() 的进程)应该总是为子进程分配新的堆栈。
• flags：表示使用哪些 CLONE_ 开头的标志位，与 namespace 相关的有CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWNET、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWUTS 和 CLONE_NEWCGROUP。
• arg：指向传递给 fn() 函数的参数

setns() 函数

通过 setns() 函数可以将当前进程加入到已有的 namespace 中。setns() 在 C 语言库中的声明如下：

#define _GNU_SOURCE #include <sched.h> int setns(int fd, int nstype);

和 clone() 函数一样，C 语言库中的 setns() 函数也是对 setns() 系统调用的封装：

• fd：表示要加入 namespace 的文件描述符。它是一个指向 /proc/[pid]/ns 目录中文件的文件描述符，可以通过直接打开该目录下的链接文件或者打开一个挂载了该目录下链接文件的文件得到。
• nstype：参数 nstype 让调用者可以检查 fd 指向的 namespace 类型是否符合实际要求。若把该参数设置为 0 表示不检查

可以通过挂载的方式把 namespace 保留下来，保留 namespace 的目的是为以后把进程加入这个 namespace 做准备。在 docker 中，使用 docker exec 命令在已经运行着的容器中执行新的命令就需要用到 setns() 函数。为了把新加入的 namespace 利用起来，还需要引入 execve() 系列的函数，该函数可以执行用户的命令，比较常见的用法是调用 /bin/bash 并接受参数运行起一个 shell

unshare() 函数 和 unshare 命令

通过 unshare 函数可以在原进程上进行 namespace 隔离。也就是创建并加入新的 namespace ，unshare() 在 C 语言库中的声明如下：

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
int unshare(int flags);

和前面两个函数一样，C 语言库中的 unshare() 函数也是对 unshare() 系统调用的封装。调用 unshare() 的主要作用就是：不启动新的进程就可以起到资源隔离的效果，相当于跳出原先的 namespace 进行操作
系统还默认提供了一个叫 unshare 的命令，其实就是在调用 unshare() 系统调用，下面使用 unshare 命令把当前进程的 user namespace 设置成了 root

[test@VM-10-233-centos root]$ whoami 
test
[test@VM-10-233-centos root]$ unshare --map-root-user --user sh -c whoami
root