一文搞懂 Docker、Containerd、RunC 间的联系和区别

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什么是RunC

Docker、Google、CoreOS 和其他供应商创建了开放容器计划 (OCI)，目前主要有两个标准文档：容器运行时标准（runtime spec）和容器镜像标准（image spec）。

OCI 对容器 runtime 的标准主要是指定容器的运行状态，和 runtime 需要提供的命令。下图可以是容器状态转换图：

init 状态：这个是我自己添加的状态，并不在标准中，表示没有容器存在的初始状态
creating：使用 create 命令创建容器，这个过程称为创建中
created：容器创建出来，但是还没有运行，表示镜像和配置没有错误，容器能够运行在当前平台
running：容器的运行状态，里面的进程处于 up 状态，正在执行用户设定的任务
stopped：容器运行完成，或者运行出错，或者 stop 命令之后，容器处于暂停状态。这个状态，容器还有很多信息保存在平台中，并没有完全被删除

Runc的来历

RunC 是从 Docker 的 libcontainer 中迁移而来的，实现了容器启停、资源隔离等功能。Docker将RunC捐赠给 OCI 作为OCI 容器运行时标准的参考实现。Docker 默认提供了 docker-runc 实现。事实上，通过 containerd 的封装，可以在 Docker Daemon 启动的时候指定 RunC的实现。最初，人们对 Docker 对 OCI 的贡献感到困惑。他们贡献的是一种“运行”容器的标准方式，仅此而已。它们不包括镜像格式或注册表推/拉格式。当你运行一个 Docker 容器时，这些是 Docker 实际经历的步骤：

下载镜像
将镜像文件解开为bundle文件，将一个文件系统拆分成多层
从bundle文件运行容器

Docker标准化的仅仅是第三步。在此之前，每个人都认为容器运行时支持Docker支持的所有功能。最终，Docker方面澄清：原始OCI规范指出，只有“运行容器”的部分组成了runtime。这种“概念失联”一直持续到今天，并使“容器运行时”成为一个令人困惑的话题。希望我能证明双方都不是完全错误的，并且在本文中将广泛使用该术语。RunC 就可以按照这个 OCI 文档来创建一个符合规范的容器，既然是标准肯定就有其他 OCI 实现，比如 Kata、gVisor 这些容器运行时都是符合 OCI 标准的。

怎么使用 runc

create the bundle
$ mkdir -p /mycontainer/rootfs# [ab]use Docker to copy a root fs into the bundle
$ docker export $(docker create busybox) | tar -C /mycontainer/rootfs -xvf -# create the specification, by default sh will be the entrypoint of the container
$ cd /mycontainer
$ runc spec# launch the container
$ sudo -i
$ cd /mycontainer
$ runc run mycontainerid# list containers
$ runc list# stop the container
$ runc kill mycontainerid# cleanup
$ runc delete mycontainerid

在命令行中使用 runc，我们可以根据需要启动任意数量的容器。但是，如果我们想自动化这个过程，我们需要一个容器管理器。为什么这样？想象一下，我们需要启动数十个容器来跟踪它们的状态。其中一些需要在失败时重新启动，需要在终止时释放资源，必须从注册表中提取图像，需要配置容器间网络等等。就需要有Low-Level和High-Level容器运行时，runc就是Low-Level实现的实现。

Low-Level和High-Level容器运行时

当人们想到容器运行时，可能会想到一系列示例；runc、lxc、lmctfy、Docker（容器）、rkt、cri-o。这些中的每一个都是为不同的情况而构建的，并实现了不同的功能。有些，如 containerd 和 cri-o，实际上使用 runc 来运行容器，在High-Level实现镜像管理和 API。与 runc 的Low-Level实现相比，可以将这些功能（包括镜像传输、镜像管理、镜像解包和 API）视为High-Level功能。考虑到这一点，您可以看到容器运行时空间相当复杂。每个运行时都涵盖了这个Low-Level到High-Level频谱的不同部分。这是一个非常主观的图表：因此，从实际出发，通常只专注于正在运行的容器的runtime通常称为“Low-Level容器运行时”，支持更多高级功能（如镜像管理和gRPC / Web API）的运行时通常称为“High-Level容器运行时”，“High-Level容器运行时”或通常仅称为“容器运行时”，我将它们称为“High-Level容器运行时”。值得注意的是，Low-Level容器运行时和High-Level容器运行时是解决不同问题的、从根本上不同的事物。

Low-Level容器运行时：容器是通过Linux nanespace和Cgroups实现的，Namespace能让你为每个容器提供虚拟化系统资源，像是文件系统和网络，Cgroups提供了限制每个容器所能使用的资源的如内存和CPU使用量的方法。在最低级别的运行时中，容器运行时负责为容器建立namespaces和cgroups,然后在其中运行命令，Low-Level容器运行时支持在容器中使用这些操作系统特性。目前来看低级容器运行时有：runc ：我们最熟悉也是被广泛使用的容器运行时，代表实现Docker。runv：runV 是一个基于虚拟机管理程序（OCI）的运行时。它通过虚拟化 guest kernel，将容器和主机隔离开来，使得其边界更加清晰，这种方式很容易就能帮助加强主机和容器的安全性。代表实现是kata和Firecracker。runsc：runsc = runc + safety ，典型实现就是谷歌的gvisor，通过拦截应用程序的所有系统调用，提供安全隔离的轻量级容器运行时沙箱。截止目前，貌似并不没有生产环境使用案例。wasm : Wasm的沙箱机制带来的隔离性和安全性，都比Docker做的更好。但是wasm 容器处于草案阶段，距离生产环境尚有很长的一段路。
High-Level容器运行时：通常情况下，开发人员想要运行一个容器不仅仅需要Low-Level容器运行时提供的这些特性，同时也需要与镜像格式、镜像管理和共享镜像相关的API接口和特性，而这些特性一般由High-Level容器运行时提供。就日常使用来说，Low-Level容器运行时提供的这些特性可能满足不了日常所需，因为这个缘故，唯一会使用Low-Level容器运行时的人是那些实现High-Level容器运行时以及容器工具的开发人员。那些实现Low-Level容器运行时的开发者会说High-Level容器运行时比如containerd和cri-o不像真正的容器运行时，因为从他们的角度来看，他们将容器运行的实现外包给了runc。但是从用户的角度来看，它们只是提供容器功能的单个组件，可以被另一个的实现替换，因此从这个角度将其称为runtime仍然是有意义的。即使containerd和cri-o都使用runc，但是它们是截然不同的项目，支持的特性也是非常不同的。dockershim, containerd 和cri-o都是遵循CRI的容器运行时，我们称他们为高层级运行时（High-level Runtime）。

Kubernetes 只需支持 containerd 等high-level container runtime即可。由containerd 按照OCI 规范去对接不同的low-level container runtime，比如通用的runc，安全增强的gvisor，隔离性更好的runv。

containerd

与RunC_一样_，我们又可以在这里看到一个docker公司的开源产品containerd曾经是开源docker项目的一部分。尽管_containerd_是另一个自给自足的软件。

一方面，它称自己为容器运行时，但是与运行时__RunC_不同_。不仅_containerd_和_runc_的职责不同，组织形式也不同。显然_runc_是只是一个命令行工具，_containerd_是一个长期居住守护进程。_runc_的实例不能超过底层容器进程。通常它在create调用时开始它的生命，然后只是在容器的 rootfs 中的指定文件去运行。
另一方面，_containerd _可以管理超过数千个_runc_容器。它更像是一个服务器，它侦听传入请求以启动、停止或报告容器的状态。在引擎盖下_containerd_使用RunC。然而，_containerd_不仅仅是一个容器生命周期管理器。它还负责镜像管理（从注册中心拉取和推送镜像，在本地存储镜像等）、跨容器网络管理和其他一些功能。

image.png

containerd 是一个工业级标准的容器运行时，它强调简单性、健壮性和可移植性，containerd 可以负责干下面这些事情：

管理容器的生命周期（从创建容器到销毁容器）
拉取/推送容器镜像
存储管理（管理镜像及容器数据的存储）
调用 runc 运行容器（与 runc 等容器运行时交互）
管理容器网络接口及网络

上图是 Containerd 整体的架构。由下往上，Containerd支持的操作系统和架构有 Linux、Windows 以及像 ARM 的一些平台。在这些底层的操作系统之上运行的就是底层容器运行时，其中有上文提到的runc、gVisor 等。在底层容器运行时之上的是Containerd 相关的组件，比如 Containerd 的 runtime、core、API、backend、store 还有metadata 等等。构筑在 Containerd 组件之上以及跟这些组件做交互的都是 Containerd 的 client，Kubernetes 跟 Containerd 通过 CRI 做交互时，本身也作为 Containerd 的一个 client。Containerd 本身有提供了一个 CRI，叫 ctr，不过这个命令行工具并不是很好用。

在这些组件之上就是真正的平台，Google Cloud、Docker、IBM、阿里云、微软云还有RANCHER等等都是，这些平台目前都已经支持 containerd，并且有些已经作为自己的默认容器运行时了。

从 k8s 的角度看，选择 containerd作为运行时的组件，它调用链更短，组件更少，更稳定，占用节点资源更少。

Docker

Docker 于 2013 年发布，解决了开发人员在端到端运行容器时遇到的许多问题。这里是他包含的所有东西：

容器镜像格式
一种构建容器镜像的方法（Dockerfile/docker build）；
一种管理容器镜像（docker image、docker rm等）；
一种管理容器实例的方法（docker ps, docker rm 等）；
一种共享容器镜像的方法（docker push/pull）；
一种运行容器的方式（docker run）；

当时，Docker 是一个单体系统。但是，这些功能中没有一个是真正相互依赖的。这些中的每一个都可以在可以一起使用的更小、更集中的工具中实现。每个工具都可以通过使用一种通用格式、一种容器标准来协同工作。从 Docker 1.11 之后，Docker Daemon 被分成了多个模块以适应 OCI 标准。拆分之后，结构分成了以下几个部分。
其中，containerd 独立负责容器运行时和生命周期（如创建、启动、停止、中止、信号处理、删除等），其他一些如镜像构建、卷管理、日志等由 Docker Daemon 的其他模块处理。

Docker 的模块块拥抱了开放标准，希望通过 OCI 的标准化，容器技术能够有很快的发展。

现在创建一个docker容器的时候，Docker Daemon 并不能直接帮我们创建了，而是请求 containerd 来创建一个容器。当containerd 收到请求后，也不会直接去操作容器，而是创建一个叫做 containerd-shim 的进程。让这个进程去操作容器，我们指定容器进程是需要一个父进程来做状态收集、维持 stdin 等 fd 打开等工作的，假如这个父进程就是 containerd，那如果 containerd 挂掉的话，整个宿主机上所有的容器都得退出了，而引入 containerd-shim 这个垫片就可以来规避这个问题了，就是提供的live-restore的功能。这里需要注意systemd的 MountFlags=slave。

然后创建容器需要做一些 namespaces 和 cgroups 的配置，以及挂载 root 文件系统等操作。runc 就可以按照这个 OCI 文档来创建一个符合规范的容器。

真正启动容器是通过 containerd-shim 去调用 runc 来启动容器的，runc 启动完容器后本身会直接退出，containerd-shim 则会成为容器进程的父进程, 负责收集容器进程的状态, 上报给 containerd, 并在容器中 pid 为 1 的进程退出后接管容器中的子进程进行清理, 确保不会出现僵尸进程。containerd，containerd-shim和容器进程(即容器主进程)三个进程，是有依赖关系的。可以参考《containerd,containerd-shim和runc的依存关系》[1],查看怎么保证live-restore的功能的。

reference

https://www.ianlewis.org/en/container-runtimes-part-1-introduction-container-r

https://iximiuz.com/en/posts/journey-from-containerization-to-orchestration-and-beyond/#container-management

https://github.com/moby/moby/issues/35873#issuecomment-386467562

[1]https://fankangbest.github.io/2017/11/24/containerd-containerd-shim%E5%92%8Crunc%E7%9A%84%E4%BE%9D%E5%AD%98%E5%85%B3%E7%B3%BB/

本文转载自：「运维开发故事」，原文：https://tinyurl.com/skbbpr4j，版权归原作者所有。欢迎投稿，投稿邮箱: editor@hi-linux.com。

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