从零开始写 Docker(二)---优化：使用匿名管道传递参数

本文为从零开始写 Docker 系列第二篇，主要在 mydocker run 命令基础上优化参数传递方式，改为使用 runC 同款的匿名管道传递参数。

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完整代码见：https://github.com/lixd/mydocker
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开发环境如下：

root@mydocker:~# lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:    Ubuntu
Description:    Ubuntu 20.04.2 LTS
Release:    20.04
Codename:    focal
root@mydocker:~# uname -r
5.4.0-74-generic

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注意：需要使用 root 用户

1. 当前方式存在的问题

在之前实现 run 命令时，参数传递方式比较简单直接。

就像这样：

cmd := exec.Command("/proc/self/exe", "init",args)

在 fork 子进程时，把参数全部跟在 init 后面，作为 init 命令的参数，然后在 init 进程中解析参数。

var initCommand = cli.Command{
    Name:  "init",
    Usage: "Init container process run user's process in container. Do not call it outside",
    /*
        1.获取传递过来的 command 参数
        2.执行容器初始化操作
    */
    Action: func(context *cli.Context) error {
        log.Infof("init come on")
        cmd := context.Args().Get(0)
        log.Infof("command: %s", cmd)
        err := container.RunContainerInitProcess(cmd, nil)
        return err
    },
}

这种方式最大的问题是，如果用户输入参数特别长，或者里面有一些特殊字符时该方案就会失效。

因此，我们对这部分逻辑进行优化，使用管道来实现父进程和子进程之间的参数传递。

这部分参考 runC 中也是用的这种方案。

2. 什么是匿名管道？

匿名管道是一种特殊的文件描述符，用于在父进程和子进程之间创建通信通道。

有以下特点：

• 管道有一个固定大小的缓冲区，一般是4KB。
• 这种通道是单向的，即数据只能在一个方向上流动。
• 当管道被写满时，写进程就会被阻塞，直到有读进程把管道的内容读出来。
• 同样地，当读进程从管道内拿数据的时候，如果这时管道的内容是空的，那么读进程同样会被阻塞，一直等到有写进程向管道内写数据。

是不是和 Go 中的 Channel 很像

因此，匿名管道在进程间通信中很有用，可以使一个进程的输出成为另一个进程的输入，从而实现进程之间的数据传递。

为什么选择匿名管道？

我们这个场景正好也是父进程和子进程之间传递数据，而且也是单向的，只会从父进程传递给子进程，因此正好使用匿名管道来实现。

管道使用很简单：

readPipe, writePipe, err := os.Pipe()

返回的两个 FD 一个代表管道的读端，另一个代表写端。

我们只需要把 readPipe FD 告知子进程，writePipe FD 告知父进程即可完成通讯。父进程将参数写入到 writePipe 后，子进程即可从 readPipe 中读取到。

3. 具体实现

整个实现分为两个部分：

• 1）FD 传递
• 2）数据读写

FD 传递

首先在父进程中创建一个匿名管道，这样父进程自然就可以拿到 writePipe 的 FD。

我们要做的就是将 readPipe FD 告知子进程。

具体实现是这样的：

func NewParentProcess(tty bool) (*exec.Cmd, *os.File) {
    // 创建匿名管道用于传递参数，将readPipe作为子进程的ExtraFiles，子进程从readPipe中读取参数
    // 父进程中则通过writePipe将参数写入管道
    readPipe, writePipe, err := os.Pipe()
    if err != nil {
        log.Errorf("New pipe error %v", err)
        return nil, nil
    }
    cmd := exec.Command("/proc/self/exe", "init")
    cmd.SysProcAttr = &syscall.SysProcAttr{
        Cloneflags: syscall.CLONE_NEWUTS | syscall.CLONE_NEWPID | syscall.CLONE_NEWNS | syscall.CLONE_NEWNET | syscall.CLONE_NEWIPC,
    }
    if tty {
        cmd.Stdin = os.Stdin
        cmd.Stdout = os.Stdout
        cmd.Stderr = os.Stderr
    }
    cmd.ExtraFiles = []*os.File{readPipe}
    return cmd, writePipe
}

主要是这句：

cmd.ExtraFiles = []*os.File{readPipe}

将 readPipe 作为 ExtraFiles，这样 cmd 执行时就会外带着这个文件句柄去创建子进程。

数据读写

父进程写数据

由于父进程天然就能拿到 writePipe FD，因此只需要在合适的时候讲数据写入管道即可。

何为合适的时候？

虽然匿名管道自带 4K 缓冲，但是如果写满之后就会阻塞，因此最好是等子进程启动后，再往里面写，尽量避免意外情况。

因此，合适的时候就是指子进程启动之后。

如果未启动子进程就往管道中写，写完了再启动子进程，大部分情况下也可以，但是如果 cmd 大于 4k 就会导致永久阻塞。

因为子进程未启动，管道中的数据永远不会被读取，因此会一直阻塞。

对应到代码中，也就是 parent.Start() 之后，等子进程启动后就通过 writePipe FD 将命令写入到管道中。

具体实现如下：

func Run(tty bool, comArray []string) {
    parent, writePipe := container.NewParentProcess(tty)
    if parent == nil {
        log.Errorf("New parent process error")
        return
    }
    if err := parent.Start(); err != nil {
        log.Errorf("Run parent.Start err:%v", err)
    }
    // 在子进程创建后通过管道来发送参数
    sendInitCommand(comArray, writePipe)
    _ = parent.Wait()
}

// sendInitCommand 通过writePipe将指令发送给子进程
func sendInitCommand(comArray []string, writePipe *os.File) {
    command := strings.Join(comArray, " ")
    log.Infof("command all is %s", command)
    _, _ = writePipe.WriteString(command)
    _ = writePipe.Close()
}

子进程读数据

子进程这边就麻烦一点，包含以下两步：

• 1）获取 readPipe FD
• 2）读取数据

子进程启动后，首先要找到前面通过ExtraFiles 传递过来的 readPipe FD，然后才是数据读取，具体实现如下：

如果不清楚这部分代码在做什么，可以仔细阅读一下代码中的注释，对这部分逻辑有详细解释。

const fdIndex = 3

func readUserCommand() []string {
    // uintptr(3 ）就是指 index 为3的文件描述符，也就是传递进来的管道的另一端，至于为什么是3，具体解释如下：
    /*    因为每个进程默认都会有3个文件描述符，分别是标准输入、标准输出、标准错误。这3个是子进程一创建的时候就会默认带着的，
        前面通过ExtraFiles方式带过来的 readPipe 理所当然地就成为了第4个。
        在进程中可以通过index方式读取对应的文件，比如
        index0：标准输入
        index1：标准输出
        index2：标准错误
        index3：带过来的第一个FD，也就是readPipe
        由于可以带多个FD过来，所以这里的3就不是固定的了。
        比如像这样：cmd.ExtraFiles = []*os.File{a,b,c,readPipe} 这里带了4个文件过来，分别的index就是3,4,5,6
        那么我们的 readPipe 就是 index6,读取时就要像这样：pipe := os.NewFile(uintptr(6), "pipe")
    */
    pipe := os.NewFile(uintptr(fdIndex), "pipe")
    msg, err := io.ReadAll(pipe)
    if err != nil {
        log.Errorf("init read pipe error %v", err)
        return nil
    }
    msgStr := string(msg)
    return strings.Split(msgStr, " ")
}

子进程 fork 出来后，执行到readUserCommand函数就会开始读取参数，此时如果父进程还没有开始发送参数，根据管道的特性，子进程会阻塞在这里，一直到父进程发送数据过来后子进程才继续执行下去。

子进程拿到数据之后，就可以运行命令了：

func RunContainerInitProcess() error {
    // mount /proc 文件系统
    mountProc()

    // 从 pipe 中读取命令
    cmdArray := readUserCommand()
    if len(cmdArray) == 0 {
        return errors.New("run container get user command error, cmdArray is nil")
    }
    path, err := exec.LookPath(cmdArray[0])
    if err != nil {
        log.Errorf("Exec loop path error %v", err)
        return err
    }
    log.Infof("Find path %s", path)
    if err = syscall.Exec(path, cmdArray[0:], os.Environ()); err != nil {
        log.Errorf("RunContainerInitProcess exec :" + err.Error())
    }
    return nil
}

这部分倒是没什么变化，就是使用syscall.Exec 执行命令。

流程图

整个参数传递流程如下图所示：

至此，传参方式就优化完成了。

4. 测试

虽然，功能上没有改动，只优化了传参方式，不过还是测试一下。

交互式命令

root@mydocker:~/mydocker# go build .
root@mydocker:~/mydocker# ./mydocker run -it /bin/sh
{"level":"info","msg":"init come on","time":"2024-01-03T14:44:35+08:00"}
{"level":"info","msg":"command: /bin/sh","time":"2024-01-03T14:44:35+08:00"}
{"level":"info","msg":"command:/bin/sh","time":"2024-01-03T14:44:35+08:00"}
# ps -ef
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root           1       0  0 09:47 pts/1    00:00:00 /bin/sh
root           5       1  0 09:47 pts/1    00:00:00 ps -ef

非交互式命令

root@mydocker:~/mydocker# ./mydocker run -it /bin/ls
{"level":"info","msg":"init come on","time":"2024-01-03T14:51:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"command: /bin/ls","time":"2024-01-03T14:51:48+08:00"}
{"level":"info","msg":"command:/bin/ls","time":"2024-01-03T14:51:48+08:00"}
LICENSE  Makefile  README.md  container  example  go.mod  go.sum  main.go  main_command.go  mydocker  run.go

至此，一切正常。

5. 小结

主要使用匿名管道来替换了默认的传参方式，以避免特殊情况下可能出现的问题。

整个流程如下图所示：

• 父进程创建匿名管道，得到 readPiep FD 和 writePipe FD；
• 父进程中构造 cmd 对象时通过ExtraFiles 将 readPiep FD 传递给子进程
• 父进程启动子进程后将命令通过 writePipe FD 写入子进程
• 子进程中根据 index 拿到对应的 readPipe FD
• 子进程中 readPipe FD 中读取命令并执行

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完整代码见：https://github.com/lixd/mydocker
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相关代码见 opt-passing-param-by-pipe 分支,测试脚本如下：

# 克隆代码
git clone -b opt-passing-param-by-pipe https://github.com/lixd/mydocker.git
cd mydocker
# 拉取依赖并编译
go mod tidy
go build .
# 测试
./mydocker run -it /bin/ls