基本原理
Docker利用Linux中的核心分离机制，例如Cgroups，以及Linux的核心Namespace（名字空间）来创建独立的容器。一句话概括起来Docker就是利用Namespace做资源隔离，用Cgroup做资源限制，利用Union FS做容器文件系统的轻量级虚拟化技术。Docker容器的本质还是一个直接运行在宿主机上面的特殊进程，看到的文件系统是隔离后的，但是操作系统内核是共享宿主机OS，所以说Docker是轻量级的虚拟化技术。
Namespaces
命名空间（namespaces）是 Linux 为我们提供的用于分离进程树、网络接口、挂载点以及进程间通信等资源的方法。在日常使用 Linux 或者 macOS 时，我们并没有运行多个完全分离的服务器的需要，但是如果我们在服务器上启动了多个服务，这些服务其实会相互影响的，每一个服务都能看到其他服务的进程，也可以访问宿主机器上的任意文件，这是很多时候我们都不愿意看到的，我们更希望运行在同一台机器上的不同服务能做到完全隔离，就像运行在多台不同的机器上一样。
在这种情况下，一旦服务器上的某一个服务被入侵，那么入侵者就能够访问当前机器上的所有服务和文件，这也是我们不想看到的，而 Docker 其实就通过 Linux 的 Namespaces 对不同的容器实现了隔离。
Linux 的命名空间机制提供了以下七种不同的命名空间，包括 CLONE_NEWCGROUP、CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWNET、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID、CLONE_NEWUSER 和 CLONE_NEWUTS，通过这七个选项我们能在创建新的进程时设置新进程应该在哪些资源上与宿主机器进行隔离。
进程
进程是 Linux 以及现在操作系统中非常重要的概念，它表示一个正在执行的程序，也是在现代分时系统中的一个任务单元。在每一个 *nix 的操作系统上，我们都能够通过 ps 命令打印出当前操作系统中正在执行的进程，比如在 Ubuntu 上，使用该命令就能得到以下的结果：
$ ps -ef UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD root 1 0 0 Apr08 ? 00:00:09 /sbin/init root 2 0 0 Apr08 ? 00:00:00 [kthreadd] root 3 2 0 Apr08 ? 00:00:05 [ksoftirqd/0] root 5 2 0 Apr08 ? 00:00:00 [kworker/0:0H] root 7 2 0 Apr08 ? 00:07:10 [rcu_sched] root 39 2 0 Apr08 ? 00:00:00 [migration/0] root 40 2 0 Apr08 ? 00:01:54 [watchdog/0] ...
当前机器上有很多的进程正在执行，在上述进程中有两个非常特殊，一个是 pid 为 1 的 /sbin/init 进程，另一个是 pid 为 2 的 kthreadd 进程，这两个进程都是被 Linux 中的上帝进程 idle 创建出来的，其中前者负责执行内核的一部分初始化工作和系统配置，也会创建一些类似 getty 的注册进程，而后者负责管理和调度其他的内核进程。
如果我们在当前的 Linux 操作系统下运行一个新的 Docker 容器，并通过 exec 进入其内部的 bash 并打印其中的全部进程，我们会得到以下的结果：
root@iZ255w13cy6Z:~# docker run -it -d ubuntu b809a2eb3630e64c581561b08ac46154878ff1c61c6519848b4a29d412215e79 root@iZ255w13cy6Z:~# docker exec -it b809a2eb3630 /bin/bash root@b809a2eb3630:/# ps -ef UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD root 1 0 0 15:42 pts/0 00:00:00 /bin/bash root 9 0 0 15:42 pts/1 00:00:00 /bin/bash root 17 9 0 15:43 pts/1 00:00:00 ps -ef
在新的容器内部执行 ps 命令打印出了非常干净的进程列表，只有包含当前 ps -ef 在内的三个进程，在宿主机器上的几十个进程都已经消失不见了。
当前的 Docker 容器成功将容器内的进程与宿主机器中的进程隔离，如果我们在宿主机器上打印当前的全部进程时，会得到下面三条与 Docker 相关的结果：
UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD root 29407 1 0 Nov16 ? 00:08:38 /usr/bin/dockerd --raw-logs root 1554 29407 0 Nov19 ? 00:03:28 docker-containerd -l unix:///var/run/docker/libcontainerd/docker-containerd.sock --metrics-interval=0 --start-timeout 2m --state-dir /var/run/docker/libcontainerd/containerd --shim docker-containerd-shim --runtime docker-runc root 5006 1554 0 08:38 ? 00:00:00 docker-containerd-shim b809a2eb3630e64c58
在当前的宿主机器上，可能就存在由上述的不同进程构成的进程树：
这就是在使用 clone(2) 创建新进程时传入 CLONE_NEWPID 实现的，也就是使用 Linux 的命名空间实现进程的隔离，Docker 容器内部的任意进程都对宿主机器的进程一无所知。
containerRouter.postContainersStart
└── daemon.ContainerStart
└── daemon.createSpec
└── setNamespaces
└── setNamespace
Docker 的容器就是使用上述技术实现与宿主机器的进程隔离，当我们每次运行 docker run 或者 docker start 时，都会在下面的方法中创建一个用于设置进程间隔离的 Spec：
func (daemon *Daemon) createSpec(c *container.Container) (*specs.Spec, error) { s := oci.DefaultSpec() // ... if err := setNamespaces(daemon, &s, c); err != nil { return nil, fmt.Errorf("linux spec namespaces: %v", err) } return &s, nil }
在 setNamespaces 方法中不仅会设置进程相关的命名空间，还会设置与用户、网络、IPC 以及 UTS 相关的命名空间：
func setNamespaces(daemon *Daemon, s *specs.Spec, c *container.Container) error { // user // network // ipc // uts // pid if c.HostConfig.PidMode.IsContainer() { ns := specs.LinuxNamespace{Type: "pid"} pc, err := daemon.getPidContainer(c) if err != nil { return err } ns.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/pid", pc.State.GetPID()) setNamespace(s, ns) } else if c.HostConfig.PidMode.IsHost() { oci.RemoveNamespace(s, specs.LinuxNamespaceType("pid")) } else { ns := specs.LinuxNamespace{Type: "pid"} setNamespace(s, ns) } return nil }
所有命名空间相关的设置 Spec 最后都会作为 Create 函数的入参在创建新的容器时进行设置：
daemon.containerd.Create(context.Background(), container.ID, spec, createOptions)
所有与命名空间的相关的设置都是在上述的两个函数中完成的，Docker 通过命名空间成功完成了与宿主机进程和网络的隔离。
CGroups
我们通过 Linux 的命名空间为新创建的进程隔离了文件系统、网络并与宿主机器之间的进程相互隔离，但是命名空间并不能够为我们提供物理资源上的隔离，比如 CPU 或者内存，如果在同一台机器上运行了多个对彼此以及宿主机器一无所知的『容器』，这些容器却共同占用了宿主机器的物理资源。
如果其中的某一个容器正在执行 CPU 密集型的任务，那么就会影响其他容器中任务的性能与执行效率，导致多个容器相互影响并且抢占资源。如何对多个容器的资源使用进行限制就成了解决进程虚拟资源隔离之后的主要问题，而 Control Groups（简称 CGroups）就是能够隔离宿主机器上的物理资源，例如 CPU、内存、磁盘 I/O 和网络带宽。
每一个 CGroup 都是一组被相同的标准和参数限制的进程，不同的 CGroup 之间是有层级关系的，也就是说它们之间可以从父类继承一些用于限制资源使用的标准和参数。
Linux 的 CGroup 能够为一组进程分配资源，也就是我们在上面提到的 CPU、内存、网络带宽等资源，通过对资源的分配，CGroup 能够提供以下的几种功能：
在 CGroup 中，所有的任务就是一个系统的一个进程，而 CGroup 就是一组按照某种标准划分的进程，在 CGroup 这种机制中，所有的资源控制都是以 CGroup 作为单位实现的，每一个进程都可以随时加入一个 CGroup 也可以随时退出一个 CGroup。
Linux 使用文件系统来实现 CGroup，我们可以直接使用下面的命令查看当前的 CGroup 中有哪些子系统：
$ lssubsys -m cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset cpu /sys/fs/cgroup/cpu cpuacct /sys/fs/cgroup/cpuacct memory /sys/fs/cgroup/memory devices /sys/fs/cgroup/devices freezer /sys/fs/cgroup/freezer blkio /sys/fs/cgroup/blkio perf_event /sys/fs/cgroup/perf_event hugetlb /sys/fs/cgroup/hugetlb
大多数 Linux 的发行版都有着非常相似的子系统，而之所以将上面的 cpuset、cpu 等东西称作子系统，是因为它们能够为对应的控制组分配资源并限制资源的使用。
如果我们想要创建一个新的 cgroup 只需要在想要分配或者限制资源的子系统下面创建一个新的文件夹，然后这个文件夹下就会自动出现很多的内容，如果你在 Linux 上安装了 Docker，你就会发现所有子系统的目录下都有一个名为 Docker 的文件夹：
$ ls cpu cgroup.clone_children ... cpu.stat docker notify_on_release release_agent tasks $ ls cpu/docker/ 9c3057f1291b53fd54a3d12023d2644efe6a7db6ddf330436ae73ac92d401cf1 cgroup.clone_children ... cpu.stat notify_on_release release_agent tasks
9c3057xxx 其实就是我们运行的一个 Docker 容器，启动这个容器时，Docker 会为这个容器创建一个与容器标识符相同的 CGroup，在当前的主机上 CGroup 就会有以下的层级关系：
每一个 CGroup 下面都有一个 tasks 文件，其中存储着属于当前控制组的所有进程的 pid，作为负责 cpu 的子系统，cpu.cfs_quota_us 文件中的内容能够对 CPU 的使用作出限制，如果当前文件的内容为 50000，那么当前控制组中的全部进程的 CPU 占用率不能超过 50%。
如果系统管理员想要控制 Docker 某个容器的资源使用率就可以在 docker 这个父控制组下面找到对应的子控制组并且改变它们对应文件的内容，当然我们也可以直接在程序运行时就使用参数，让 Docker 进程去改变相应文件中的内容。
$ docker run -it -d --cpu-quota=50000 busybox 53861305258ecdd7f5d2a3240af694aec9adb91cd4c7e210b757f71153cdd274 $ cd 53861305258ecdd7f5d2a3240af694aec9adb91cd4c7e210b757f71153cdd274/ $ ls cgroup.clone_children cgroup.event_control cgroup.procs cpu.cfs_period_us cpu.cfs_quota_us cpu.shares cpu.stat notify_on_release tasks $ cat cpu.cfs_quota_us 50000
当我们使用 Docker 关闭掉正在运行的容器时，Docker 的子控制组对应的文件夹也会被 Docker 进程移除，Docker 在使用 CGroup 时其实也只是做了一些创建文件夹改变文件内容的文件操作，不过 CGroup 的使用也确实解决了我们限制子容器资源占用的问题，系统管理员能够为多个容器合理的分配资源并且不会出现多个容器互相抢占资源的问题。
UnionFS
Linux 的命名空间和控制组分别解决了不同资源隔离的问题，前者解决了进程、网络以及文件系统的隔离，后者实现了 CPU、内存等资源的隔离，但是在 Docker 中还有另一个非常重要的问题需要解决 - 也就是镜像。
Docker 镜像其实本质就是一个压缩包，我们可以使用下面的命令将一个 Docker 镜像中的文件导出：
$ docker export $(docker create busybox) | tar -C rootfs -xvf - $ ls bin dev etc home proc root sys tmp usr var
你可以看到这个 busybox 镜像中的目录结构与 Linux 操作系统的根目录中的内容并没有太多的区别，可以说 Docker 镜像就是一个文件。
网络
如果 Docker 的容器通过 Linux 的命名空间完成了与宿主机进程的网络隔离，但是却有没有办法通过宿主机的网络与整个互联网相连，就会产生很多限制，所以 Docker 虽然可以通过命名空间创建一个隔离的网络环境，但是 Docker 中的服务仍然需要与外界相连才能发挥作用。
每一个使用 docker run 启动的容器其实都具有单独的网络命名空间，Docker 为我们提供了四种不同的网络模式，Host、Container、None 和 Bridge 模式。
在这一部分，我们将介绍 Docker 默认的网络设置模式：网桥模式。在这种模式下，除了分配隔离的网络命名空间之外，Docker 还会为所有的容器设置 IP 地址。当 Docker 服务器在主机上启动之后会创建新的虚拟网桥 docker0，随后在该主机上启动的全部服务在默认情况下都与该网桥相连。
在默认情况下，每一个容器在创建时都会创建一对虚拟网卡，两个虚拟网卡组成了数据的通道，其中一个会放在创建的容器中，会加入到名为 docker0 网桥中。我们可以使用如下的命令来查看当前网桥的接口：
$ brctl show bridge name bridge id STP enabled interfaces docker0 8000.0242a6654980 no veth3e84d4f veth9953b75
docker0 会为每一个容器分配一个新的 IP 地址并将 docker0 的 IP 地址设置为默认的网关。网桥 docker0 通过 iptables 中的配置与宿主机器上的网卡相连，所有符合条件的请求都会通过 iptables 转发到 docker0 并由网桥分发给对应的机器。
$ iptables -t nat -L Chain PREROUTING (policy ACCEPT) target prot opt source destination DOCKER all -- anywhere anywhere ADDRTYPE match dst-type LOCAL Chain DOCKER (2 references) target prot opt source destination RETURN all -- anywhere anywhere
我们在当前的机器上使用 docker run -d -p 6379:6379 redis 命令启动了一个新的 Redis 容器，在这之后我们再查看当前 iptables 的 NAT 配置就会看到在 DOCKER 的链中出现了一条新的规则：
DNAT tcp -- anywhere anywhere tcp dpt:6379 to:192.168.0.4:
上述规则会将从任意源发送到当前机器 6379 端口的 TCP 包转发到 192.168.0.4:6379 所在的地址上。
这个地址其实也是 Docker 为 Redis 服务分配的 IP 地址，如果我们在当前机器上直接 ping 这个 IP 地址就会发现它是可以访问到的：
$ ping 192.168.0.4 PING 192.168.0.4 (192.168.0.4) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 192.168.0.4: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.069 ms 64 bytes from 192.168.0.4: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.043 ms ^C --- 192.168.0.4 ping statistics --- 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms rtt min/avg/max/mdev = 0.043/0.056/0.069/0.013 ms
从上述的一系列现象，我们就可以推测出 Docker 是如何将容器的内部的端口暴露出来并对数据包进行转发的了；当有 Docker 的容器需要将服务暴露给宿主机器，就会为容器分配一个 IP 地址，同时向 iptables 中追加一条新的规则。
当我们使用 redis-cli 在宿主机器的命令行中访问 127.0.0.1:6379 的地址时，经过 iptables 的 NAT PREROUTING 将 ip 地址定向到了 192.168.0.4，重定向过的数据包就可以通过 iptables 中的 FILTER 配置，最终在 NAT POSTROUTING 阶段将 ip 地址伪装成 127.0.0.1，到这里虽然从外面看起来我们请求的是 127.0.0.1:6379，但是实际上请求的已经是 Docker 容器暴露出的端口了。
$ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379 ping PONG
Docker 通过 Linux 的命名空间实现了网络的隔离，又通过 iptables 进行数据包转发，让 Docker 容器能够优雅地为宿主机器或者其他容器提供服务。
AUFS
UnionFS 其实是一种为 Linux 操作系统设计的用于把多个文件系统『联合』到同一个挂载点的文件系统服务。而 AUFS 即 Advanced UnionFS 其实就是 UnionFS 的升级版，它能够提供更优秀的性能和效率。
AUFS 作为联合文件系统，它能够将不同文件夹中的层联合（Union）到了同一个文件夹中，这些文件夹在 AUFS 中称作分支，整个『联合』的过程被称为联合挂载（Union Mount）：
每一个镜像层或者容器层都是 /var/lib/docker/ 目录下的一个子文件夹；在 Docker 中，所有镜像层和容器层的内容都存储在 /var/lib/docker/aufs/diff/ 目录中：
$ ls /var/lib/docker/aufs/diff/00adcccc1a55a36a610a6ebb3e07cc35577f2f5a3b671be3dbc0e74db9ca691c 93604f232a831b22aeb372d5b11af8c8779feb96590a6dc36a80140e38e764d8 00adcccc1a55a36a610a6ebb3e07cc35577f2f5a3b671be3dbc0e74db9ca691c-init 93604f232a831b22aeb372d5b11af8c8779feb96590a6dc36a80140e38e764d8-init 019a8283e2ff6fca8d0a07884c78b41662979f848190f0658813bb6a9a464a90 93b06191602b7934fafc984fbacae02911b579769d0debd89cf2a032e7f35cfa ...
而 /var/lib/docker/aufs/layers/ 中存储着镜像层的元数据，每一个文件都保存着镜像层的元数据，最后的 /var/lib/docker/aufs/mnt/ 包含镜像或者容器层的挂载点，最终会被 Docker 通过联合的方式进行组装。
上面的这张图片非常好的展示了组装的过程，每一个镜像层都是建立在另一个镜像层之上的，同时所有的镜像层都是只读的，只有每个容器最顶层的容器层才可以被用户直接读写，所有的容器都建立在一些底层服务（Kernel）上，包括命名空间、控制组、rootfs 等等，这种容器的组装方式提供了非常大的灵活性，只读的镜像层通过共享也能够减少磁盘的占用。
其他存储驱动
AUFS 只是 Docker 使用的存储驱动的一种，除了 AUFS 之外，Docker 还支持了不同的存储驱动，包括 aufs、devicemapper、overlay2、zfs 和 vfs 等等，在最新的 Docker 中，overlay2 取代了 aufs 成为了推荐的存储驱动，但是在没有 overlay2 驱动的机器上仍然会使用 aufs 作为 Docker 的默认驱动。
不同的存储驱动在存储镜像和容器文件时也有着完全不同的实现，有兴趣的读者可以在 Docker 的官方文档 Select a storage driver 中找到相应的内容。
想要查看当前系统的 Docker 上使用了哪种存储驱动只需要使用以下的命令就能得到相对应的信息：
$ docker info | grep Storage
Storage Driver: aufs