Linux Namespace 基础教程：namespace API

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Linux Namespace 是 Linux 提供的一种内核级别环境隔离的方法。用官方的话来说，Linux Namespace 将全局系统资源封装在一个抽象中，从而使 namespace 内的进程认为自己具有独立的资源实例。这项技术本来没有掀起多大的波澜，是容器技术的崛起让他重新引起了大家的注意。

Linux Namespace 有如下 6 个种类：

分类	系统调用参数	相关内核版本
Mount namespaces	CLONE_NEWNS	Linux 2.4.19
UTS namespaces	CLONE_NEWUTS	Linux 2.6.19
IPC namespaces	CLONE_NEWIPC	Linux 2.6.19
PID namespaces	CLONE_NEWPID	Linux 2.6.24
Network namespaces	CLONE_NEWNET	始于Linux 2.6.24 完成于 Linux 2.6.29
User namespaces	CLONE_NEWUSER	始于 Linux 2.6.23 完成于 Linux 3.8

namespace 的 API 由三个系统调用和一系列 /proc 文件组成，本文将会详细介绍这些系统调用和 /proc 文件。为了指定要操作的 namespace 类型，需要在系统调用的 flag 中通过常量 CLONE_NEW* 指定（包括 CLONE_NEWIPC，CLONE_NEWNS， CLONE_NEWNET，CLONE_NEWPID，CLONE_NEWUSER 和 CLONE_NEWUTS），可以指定多个常量，通过 |（位或）操作来实现。

简单描述一下三个系统调用的功能：

clone() : 实现线程的系统调用，用来创建一个新的进程，并可以通过设计上述系统调用参数达到隔离的目的。
unshare() : 使某进程脱离某个 namespace。
setns() : 把某进程加入到某个 namespace。

具体的实现原理请往下看。

1. clone()
#

clone() 的原型如下：

int clone(int (*child_func)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

child_func : 传入子进程运行的程序主函数。
child_stack : 传入子进程使用的栈空间。
flags : 表示使用哪些 CLONE_* 标志位。
args : 用于传入用户参数。

clone() 与 fork() 类似，都相当于把当前进程复制了一份，但 clone() 可以更细粒度地控制与子进程共享的资源（其实就是通过 flags 来控制），包括虚拟内存、打开的文件描述符和信号量等等。一旦指定了标志位 CLONE_NEW*，相对应类型的 namespace 就会被创建，新创建的进程也会成为该 namespace 中的一员。

clone() 的原型并不是最底层的系统调用，而是封装过的，真正的系统调用内核实现函数为 do_fork()，形式如下：

long do_fork(unsigned long clone_flags,
	      unsigned long stack_start,
	      unsigned long stack_size,
	      int __user *parent_tidptr,
	      int __user *child_tidptr)

其中 clone_flags 可以赋值为上面提到的标志。

下面来看一个例子：

/* demo_uts_namespaces.c

   Copyright 2013, Michael Kerrisk
   Licensed under GNU General Public License v2 or later

   Demonstrate the operation of UTS namespaces.
*/
#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>

/* A simple error-handling function: print an error message based
   on the value in 'errno' and terminate the calling process */

#define errExit(msg)    do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); \
                        } while (0)

static int              /* Start function for cloned child */
childFunc(void *arg)
{
    struct utsname uts;

    /* 在新的 UTS namespace 中修改主机名 */

    if (sethostname(arg, strlen(arg)) == -1)
        errExit("sethostname");

    /* 获取并显示主机名 */

    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(100);

    return 0;           /* Terminates child */
}

/* 定义一个给 clone 用的栈，栈大小1M */
#define STACK_SIZE (1024 * 1024) 

static char child_stack[STACK_SIZE];

int
main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t child_pid;
    struct utsname uts;

    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <child-hostname>\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 调用 clone 函数创建一个新的 UTS namespace，其中传出一个函数，还有一个栈空间（为什么传尾指针，因为栈是反着的）;
       新的进程将在用户定义的函数 childFunc() 中执行 */

    child_pid = clone(childFunc, 
                    child_stack + STACK_SIZE,   /* 因为栈是反着的， 
                                                   所以传尾指针 */ 
                    CLONE_NEWUTS | SIGCHLD, argv[1]);
    if (child_pid == -1)
        errExit("clone");
    printf("PID of child created by clone() is %ld\n", (long) child_pid);

    /* Parent falls through to here */

    sleep(1);           /* 给子进程预留一定的时间来改变主机名 */

    /* 显示当前 UTS namespace 中的主机名，和 
       子进程所在的 UTS namespace 中的主机名不同 */

    if (uname(&uts) == -1)
        errExit("uname");
    printf("uts.nodename in parent: %s\n", uts.nodename);

    if (waitpid(child_pid, NULL, 0) == -1)      /* 等待子进程结束 */
        errExit("waitpid");
    printf("child has terminated\n");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

该程序通过标志位 CLONE_NEWUTS 调用 clone() 函数创建一个 UTS namespace。UTS namespace 隔离了两个系统标识符 — 主机名和 NIS 域名 —它们分别通过 sethostname() 和 setdomainname() 这两个系统调用来设置，并通过系统调用 uname() 来获取。

下面将对程序中的一些关键部分进行解读（为了简单起见，我们将省略其中的错误检查）。

程序运行时后面需要跟上一个命令行参数，它将会创建一个在新的 UTS namespace 中执行的子进程，该子进程会在新的 UTS namespace 中将主机名改为命令行参数中提供的值。

主程序的第一个关键部分是通过系统调用 clone() 来创建子进程：

child_pid = clone(childFunc, 
                  child_stack + STACK_SIZE,   /* Points to start of 
                                                 downwardly growing stack */ 
                  CLONE_NEWUTS | SIGCHLD, argv[1]);

printf("PID of child created by clone() is %ld\n", (long) child_pid);

子进程将会在用户定义的函数 childFunc() 中开始执行，该函数将会接收 clone() 最后的参数（argv[1]）作为自己的参数，并且标志位包含了 CLONE_NEWUTS，所以子进程会在新创建的 UTS namespace 中执行。

接下来主进程睡眠一段时间，让子进程能够有时间更改其 UTS namespace 中的主机名。然后调用 uname() 来检索当前 UTS namespace 中的主机名，并显示该主机名：

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

uname(&uts);
printf("uts.nodename in parent: %s\n", uts.nodename);

与此同时，由 clone() 创建的子进程执行的函数 childFunc() 首先将主机名改为命令行参数中提供的值，然后检索并显示修改后的主机名：

sethostname(arg, strlen(arg);
    
uname(&uts);
printf("uts.nodename in child:  %s\n", uts.nodename);

子进程退出之前也睡眠了一段时间，这样可以防止新的 UTS namespace 不会被关闭，让我们能够有机会进行后续的实验。

执行程序，观察父进程和子进程是否处于不同的 UTS namespace 中：

$ su                   # 需要特权才能创建 UTS namespace
Password: 
# uname -n
antero
# ./demo_uts_namespaces bizarro
PID of child created by clone() is 27514
uts.nodename in child:  bizarro
uts.nodename in parent: antero

除了 User namespace 之外，创建其他的 namespace 都需要特权，更确切地说，是需要相应的 Linux Capabilities，即 CAP_SYS_ADMIN。这样就可以避免设置了 SUID（Set User ID on execution）的程序因为主机名不同而做出一些愚蠢的行为。如果对 Linux Capabilities 不是很熟悉，可以参考我之前的文章： Linux Capabilities 入门教程：概念篇。

2. proc 文件
#

每个进程都有一个 /proc/PID/ns 目录，其下面的文件依次表示每个 namespace, 例如 user 就表示 user namespace。从 3.8 版本的内核开始，该目录下的每个文件都是一个特殊的符号链接，链接指向 $namespace:[$namespace-inode-number]，前半部份为 namespace 的名称，后半部份的数字表示这个 namespace 的句柄号。句柄号用来对进程所关联的 namespace 执行某些操作。

$ ls -l /proc/$$/ns         # $$ 表示当前所在的 shell 的 PID
total 0
lrwxrwxrwx. 1 mtk mtk 0 Jan  8 04:12 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx. 1 mtk mtk 0 Jan  8 04:12 mnt -> mnt:[4026531840]
lrwxrwxrwx. 1 mtk mtk 0 Jan  8 04:12 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx. 1 mtk mtk 0 Jan  8 04:12 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx. 1 mtk mtk 0 Jan  8 04:12 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx. 1 mtk mtk 0 Jan  8 04:12 uts -> uts:[4026531838]

这些符号链接的用途之一是用来确认两个不同的进程是否处于同一 namespace 中。如果两个进程指向的 namespace inode number 相同，就说明他们在同一个 namespace 下，否则就在不同的 namespace 下。这些符号链接指向的文件比较特殊，不能直接访问，事实上指向的文件存放在被称为 nsfs 的文件系统中，该文件系统用户不可见，可以使用系统调用 stat() 在返回的结构体的 st_ino 字段中获取 inode number。在 shell 终端中可以用命令（实际上就是调用了 stat()）看到指向文件的 inode 信息：

$ stat -L /proc/$$/ns/net
  File: /proc/3232/ns/net
  Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
Device: 4h/4d	Inode: 4026531956  Links: 1
Access: (0444/-r--r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2020-01-17 15:45:23.783304900 +0800
Modify: 2020-01-17 15:45:23.783304900 +0800
Change: 2020-01-17 15:45:23.783304900 +0800
 Birth: -

除了上述用途之外，这些符号链接还有其他的用途，如果我们打开了其中一个文件，那么只要与该文件相关联的文件描述符处于打开状态，即使该 namespace 中的所有进程都终止了，该 namespace 依然不会被删除。通过 bind mount 将符号链接挂载到系统的其他位置，也可以获得相同的效果：

$ touch ~/uts
$ mount --bind /proc/27514/ns/uts ~/uts

3. setns()
#

加入一个已经存在的 namespace 可以通过系统调用 setns() 来完成。它的原型如下：

int setns(int fd, int nstype);

更确切的说法是：setns() 将调用的进程与特定类型 namespace 的一个实例分离，并将该进程与该类型 namespace 的另一个实例重新关联。

fd 表示要加入的 namespace 的文件描述符，可以通过打开其中一个符号链接来获取，也可以通过打开 bind mount 到其中一个链接的文件来获取。
nstype 让调用者可以去检查 fd 指向的 namespace 类型，值可以设置为前文提到的常量 CLONE_NEW*，填 0 表示不检查。如果调用者已经明确知道自己要加入了 namespace 类型，或者不关心 namespace 类型，就可以使用该参数来自动校验。

结合 setns() 和 execve() 可以实现一个简单但非常有用的功能：将某个进程加入某个特定的 namespace，然后在该 namespace 中执行命令。直接来看例子：

/* ns_exec.c 

   Copyright 2013, Michael Kerrisk
   Licensed under GNU General Public License v2 or later

   Join a namespace and execute a command in the namespace
*/
#define _GNU_SOURCE
#include <fcntl.h>
#include <sched.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

/* A simple error-handling function: print an error message based
   on the value in 'errno' and terminate the calling process */

#define errExit(msg)    do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); \
                        } while (0)

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;

    if (argc < 3) {
        fprintf(stderr, "%s /proc/PID/ns/FILE cmd [arg...]\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    fd = open(argv[1], O_RDONLY);   /* 获取想要加入的 namespace 的文件描述符 */
    if (fd == -1)
        errExit("open");

    if (setns(fd, 0) == -1)         /* 加入该 namespace */
        errExit("setns");

    execvp(argv[2], &argv[2]);      /* 在加入的 namespace 中执行相应的命令 */
    errExit("execvp");
}

该程序运行需要两个或两个以上的命令行参数，第一个参数表示特定的 namespace 符号链接的路径（或者 bind mount 到这些符号链接的文件路径）；第二个参数表示要在该符号链接相对应的 namespace 中执行的程序名称，以及执行这个程序所需的命令行参数。关键步骤如下：

fd = open(argv[1], O_RDONLY);   /* 获取想要加入的 namespace 的文件描述符 */

setns(fd, 0);                   /* 加入该 namespace */

execvp(argv[2], &argv[2]);      /* 在加入的 namespace 中执行相应的命令 */

还记得我们之前已经通过 bind mount 将 demo_uts_namespaces 创建的 UTS namespace 挂载到 ~/uts 中了吗？可以将本例中的程序与之结合，让新进程可以在该 UTS namespace 中执行 shell：

    $ ./ns_exec ~/uts /bin/bash     # ~/uts 被 bind mount 到了 /proc/27514/ns/uts
    My PID is: 28788

验证新的 shell 是否与 demo_uts_namespaces 创建的子进程处于同一个 UTS namespace：

$ hostname
bizarro
$ readlink /proc/27514/ns/uts
uts:[4026532338]
$ readlink /proc/$$/ns/uts      # $$ 表示当前 shell 的 PID
uts:[4026532338]

在早期的内核版本中，不能使用 setns() 来加入 mount namespace、PID namespace 和 user namespace，从 3.8 版本的内核开始，setns() 支持加入所有的 namespace。

util-linux 包里提供了nsenter 命令，其提供了一种方式将新创建的进程运行在指定的 namespace 里面，它的实现很简单，就是通过命令行（-t 参数）指定要进入的 namespace 的符号链接，然后利用 setns() 将当前的进程放到指定的 namespace 里面，再调用 clone() 运行指定的执行文件。我们可以用 strace 来看看它的运行情况：

# strace nsenter -t 27242 -i -m -n -p -u /bin/bash
execve("/usr/bin/nsenter", ["nsenter", "-t", "27242", "-i", "-m", "-n", "-p", "-u", "/bin/bash"], [/* 21 vars */]) = 0
…………
…………
pen("/proc/27242/ns/ipc", O_RDONLY)    = 3
open("/proc/27242/ns/uts", O_RDONLY)    = 4
open("/proc/27242/ns/net", O_RDONLY)    = 5
open("/proc/27242/ns/pid", O_RDONLY)    = 6
open("/proc/27242/ns/mnt", O_RDONLY)    = 7
setns(3, CLONE_NEWIPC)                  = 0
close(3)                                = 0
setns(4, CLONE_NEWUTS)                  = 0
close(4)                                = 0
setns(5, CLONE_NEWNET)                  = 0
close(5)                                = 0
setns(6, CLONE_NEWPID)                  = 0
close(6)                                = 0
setns(7, CLONE_NEWNS)                   = 0
close(7)                                = 0
clone(child_stack=0, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f4deb1faad0) = 4968

4. unshare()
#

最后一个要介绍的系统调用是 unshare()，它的原型如下：

int unshare(int flags);

unshare() 与 clone() 类似，但它运行在原先的进程上，不需要创建一个新进程，即：先通过指定的 flags 参数 CLONE_NEW* 创建一个新的 namespace，然后将调用者加入该 namespace。最后实现的效果其实就是将调用者从当前的 namespace 分离，然后加入一个新的 namespace。

Linux 中自带的 unshare 命令，就是通过 unshare() 系统调用实现的，使用方法如下：

$ unshare [options] program [arguments]

options 指定要创建的 namespace 类型。

unshare 命令的主要实现如下：

/* 通过提供的命令行参数初始化 'flags' */

unshare(flags);

/* Now execute 'program' with 'arguments'; 'optind' is the index
   of the next command-line argument after options */

execvp(argv[optind], &argv[optind]);

unshare 命令的完整实现如下：

/* unshare.c 

   Copyright 2013, Michael Kerrisk
   Licensed under GNU General Public License v2 or later

   A simple implementation of the unshare(1) command: unshare
   namespaces and execute a command.
*/

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

/* A simple error-handling function: print an error message based
   on the value in 'errno' and terminate the calling process */

#define errExit(msg)    do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); \
                        } while (0)

static void
usage(char *pname)
{
    fprintf(stderr, "Usage: %s [options] program [arg...]\n", pname);
    fprintf(stderr, "Options can be:\n");
    fprintf(stderr, "    -i   unshare IPC namespace\n");
    fprintf(stderr, "    -m   unshare mount namespace\n");
    fprintf(stderr, "    -n   unshare network namespace\n");
    fprintf(stderr, "    -p   unshare PID namespace\n");
    fprintf(stderr, "    -u   unshare UTS namespace\n");
    fprintf(stderr, "    -U   unshare user namespace\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int flags, opt;

    flags = 0;

    while ((opt = getopt(argc, argv, "imnpuU")) != -1) {
        switch (opt) {
        case 'i': flags |= CLONE_NEWIPC;        break;
        case 'm': flags |= CLONE_NEWNS;         break;
        case 'n': flags |= CLONE_NEWNET;        break;
        case 'p': flags |= CLONE_NEWPID;        break;
        case 'u': flags |= CLONE_NEWUTS;        break;
        case 'U': flags |= CLONE_NEWUSER;       break;
        default:  usage(argv[0]);
        }
    }

    if (optind >= argc)
        usage(argv[0]);

    if (unshare(flags) == -1)
        errExit("unshare");

    execvp(argv[optind], &argv[optind]);  
    errExit("execvp");
}

下面我们执行 unshare.c 程序在一个新的 mount namespace 中执行 shell：

$ echo $$                             # 显示当前 shell 的 PID
8490
$ cat /proc/8490/mounts | grep mq     # 显示当前 namespace 中的某个挂载点
mqueue /dev/mqueue mqueue rw,seclabel,relatime 0 0
$ readlink /proc/8490/ns/mnt          # 显示当前 namespace 的 ID 
mnt:[4026531840]
$ ./unshare -m /bin/bash              # 在新创建的 mount namespace 中执行新的 shell
$ readlink /proc/$$/ns/mnt            # 显示新 namespace 的 ID 
mnt:[4026532325]

对比两个 readlink 命令的输出，可以知道两个shell 处于不同的 mount namespace 中。改变新的 namespace 中的某个挂载点，然后观察两个 namespace 的挂载点是否有变化：

$ umount /dev/mqueue                  # 移除新 namespace 中的挂载点
$ cat /proc/$$/mounts | grep mq       # 检查是否生效
$ cat /proc/8490/mounts | grep mq     # 查看原来的 namespace 中的挂载点是否依然存在?
mqueue /dev/mqueue mqueue rw,seclabel,relatime 0 0