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1.  Linux核心namespace機制

Linux Namespaces機制提供一種資源隔離方案。PID,IPC,Network等系統資源不再是全域性性的,而是屬於某個特定的Namespace。每個namespace下的資源對於其他namespace下的資源都是透明,不可見的。因此在作業系統層面上看,就會出現多個相同pid的程序。系統中可以同時存在兩個程序號為0,1,2的程序,由於屬於不同的namespace,所以它們之間並不衝突。而在使用者層面上只能看到屬於使用者自己namespace下的資源,例如使用ps命令只能列出自己namespace下的程序。這樣每個namespace看上去就像一個單獨的Linux系統。

2 .  Linux核心中namespace結構體

Linux核心中提供了多個namespace,其中包括fs (mount), uts, network, sysvipc, 等。一個程序可以屬於多個namesapce,既然namespace和程序相關,那麼在task_struct結構體中就會包含和namespace相關聯的變數。在task_struct 結構中有一個指向namespace結構體的指標nsproxy

struct task_struct {

……..

/* namespaces */

         struct nsproxy *nsproxy;

…….

}

再看一下nsproxy是如何定義的,在include/linux/nsproxy.h檔案中,這裡一共定義了5個各自的名稱空間結構體,在該結構體中定義了5個指向各個型別namespace的指標,由於多個程序可以使用同一個namespace,所以nsproxy可以共享使用,count欄位是該結構的引用計數。

/* '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名稱空間包含了執行核心的名稱、版本、底層體系結構型別等資訊。UTSUNIX Timesharing System的簡稱。

(2)     儲存在struct ipc_namespace中的所有與程序間通訊(IPC)有關的資訊。

(3)     已經裝載的檔案系統的檢視,在struct mnt_namespace中給出。

(4)     有關程序ID的資訊,由struct pid_namespace提供。

(5)     struct net_ns包含所有網路相關的名稱空間引數。

系統中有一個預設的nsproxyinit_nsproxy,該結構在task初始化是也會被初始化。#define INIT_TASK(tsk)  \

{

         .nsproxy   = &init_nsproxy,      

}

其中init_nsproxy的定義為:

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

};

對於         .mnt_ns   沒有進行初始化,其餘的namespace都進行了系統預設初始。

3. 使用clone建立自己的Namespace

如果要建立自己的名稱空間,可以使用系統呼叫clone(),它在使用者空間的原型為

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

這裡fn是函式指標,這個就是指向函式的指標,, child_stack是為子程序分配系統堆疊空間,flags就是標誌用來描述你需要從父程序繼承那些資源, arg就是傳給子程序的引數也就是fn指向的函式引數。下面是flags可以取的值。這裡只關心和namespace相關的引數。

CLONE_FS          子程序與父程序共享相同的檔案系統,包括root、當前目錄、umask

CLONE_NEWNS     clone需要自己的名稱空間時設定這個標誌,不能同時設定CLONE_NEWSCLONE_FS

Clone()函式是在libc庫中定義的一個封裝函式,它負責建立新輕量級程序的堆疊並且呼叫對程式設計者隱藏了clone系統條用。實現clone()系統呼叫的sys_clone()服務例程並沒有fnarg引數。封裝函式把fn指標存放在子程序堆疊的每個位置處,該位置就是該封裝函式本身返回地址存放的位置。Arg指標正好存放在子程序堆疊中的fn的下面。當封裝函式結束時,CPU從堆疊中取出返回地址,然後執行fn(arg)函式。

#includeint clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,int flags, void *arg, .../* pid_t *ptid, struct user_desc *tls, pid_t *ctid

long clone(unsigned long flags, void *child_stack,void *ptid, void *ctid,struct pt_regs *regs);<span color:#181818;"="" style="word-wrap: break-word; font-size: 12pt;">

我們在Linux核心中看到的實現函式,是經過libc庫進行封裝過的,在Linux核心中的fork.c檔案中,有下面的定義,最終呼叫的都是do_fork()函式。

#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函式

clone()函式中呼叫do_fork函式進行真正的處理,在do_fork函式中呼叫copy_process程序處理。

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;

}

3.2  copy_process函式

copy_process函式中呼叫copy_namespaces函式。

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;

/*下面的程式碼是對clone_flag標誌進行檢查,有部分表示是互斥的,例如CLONE_NEWNSCLONENEW_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) &&

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