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Linux的命名空间如何理解

发表于：2025-01-23 作者：千家信息网编辑

千家信息网最后更新 2025年01月23日，小编今天带大家了解Linux的命名空间如何理解，文中知识点介绍的非常详细。觉得有帮助的朋友可以跟着小编一起浏览文章的内容，希望能够帮助更多想解决这个问题的朋友找到问题的答案，下面跟着小编一起深入学习"

千家信息网最后更新 2025年01月23日Linux的命名空间如何理解

小编今天带大家了解Linux的命名空间如何理解，文中知识点介绍的非常详细。觉得有帮助的朋友可以跟着小编一起浏览文章的内容，希望能够帮助更多想解决这个问题的朋友找到问题的答案，下面跟着小编一起深入学习"Linux的命名空间如何理解"的知识吧。

一、基本概念

命名空间（Linux namespace）是linux内核针对实现容器虚拟化映入的一个特性。我们创建的每个容器都有自己的命名空间，运行在其中的应用都像是在独立的操作系统中运行一样，命名空间保证了容器之间互不影响。

Linux的命名空间机制提供了一种资源隔离的解决方案。PID,IPC,Network等系统资源不再是全局性的，而是属于特定的Namespace。Namespace是对全局系统资源的一种封装隔离，使得处于不同namespace的进程拥有独立的全局系统资源，改变一个namespace中的系统资源只会影响当前namespace里的进程，对其他namespace中的进程没有影响。

传统上，在Linux以及其他衍生的UNIX变体中，许多资源是全局管理的。例如，系统中的所有进程按照惯例是通过PID标识的，这意味着内核必须管理一个全局的PID列表。而且，所有调用者通过uname系统调用返回的系统相关信息（包括系统名称和有关内核的一些信息）都是相同的。用户ID的管理方式类似，即各个用户是通过一个全局唯一的UID号标识。

全局ID使得内核可以有选择地允许或拒绝某些特权。虽然UID为0的root用户基本上允许做任何事，但其他用户ID则会受到限制。例如UID为n的用户，不允许杀死属于用户m的进程（ m≠ n）。但这不能防止用户看到彼此，即用户n可以看到另一个用户m也在计算机上活动。只要用户只能操纵他们自己的进程，这就没什么问题，因为没有理由不允许用户看到其他用户的进程。

但有些情况下，这种效果可能是不想要的。如果提供Web主机的供应商打算向用户提供Linux计算机的全部访问权限，包括root权限在内。传统上，这需要为每个用户准备一台计算机，代价太高。使用KVM或VMWare提供的虚拟化环境是一种解决问题的方法，但资源分配做得不是非常好。计算机的各个用户都需要一个独立的内核，以及一份完全安装好的配套的用户层应用。

命名空间提供了一种不同的解决方案，所需资源较少。在虚拟化的系统中，一台物理计算机可以运行多个内核，可能是并行的多个不同的操作系统。而命名空间则只使用一个内核在一台物理计算机上运作，前述的所有全局资源都通过命名空间抽象起来。这使得可以将一组进程放置到容器中，各个容器彼此隔离。隔离可以使容器的成员与其他容器毫无关系。但也可以通过允许容器进行一定的共享，来降低容器之间的分隔。例如，容器可以设置为使用自身的PID集合，但仍然与其他容器共享部分文件系统。

二、实现

命名空间的实现需要两个部分：每个子系统的命名空间结构，将此前所有的全局组件包装到命名空间中；将给定进程关联到所属各个命名空间的机制。

子系统此前的全局属性现在封装到命名空间中，每个进程关联到一个选定的命名空间。每个可以感知命名空间的内核子系统都必须提供一个数据结构，将所有通过命名空间形式提供的对象集中起来。 struct nsproxy用于汇集指向特定于子系统的命名空间包装器的指针。在文件nsproxy.h中有：

/* * A structure to contain pointers to all per-process * namespaces - fs (mount), uts, network, sysvipc, etc. * * The pid namespace is an exception -- it's accessed using * task_active_pid_ns.  The pid namespace here is the * namespace that children will use. * * '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;        struct time_namespace *time_ns;        struct time_namespace *time_ns_for_children;        struct cgroup_namespace *cgroup_ns;};

当前内核的以下范围可以感知到命名空间

1、 UTS命名空间包含了运行内核的名称、版本、底层体系结构类型等信息。 UTS是UNIXTimesharing System的简称。

2、保存在struct ipc_namespace中的所有与进程间通信（ IPC）有关的信息。

3、已经装载的文件系统的视图，在struct mnt_namespace中给出。

4、有关进程ID的信息，由struct pid_namespace提供。

5、 struct user_namespace保存的用于限制每个用户资源使用的信息。

6、struct net_ns包含所有网络相关的命名空间参数。

当我讨论相应的子系统时，会介绍各个命名空间容器的内容。在由于在创建新进程时可使用fork建立一个新的命名空间，因此必须提供控制该行为的适当的标志。每个命名空间都有一个对应的标志，在sched.h文件内：

#define CLONE_NEWCGROUP         0x02000000      /* New cgroup namespace */#define CLONE_NEWUTS               0x04000000      /* New utsname namespace */#define CLONE_NEWIPC               0x08000000      /* New ipc namespace */#define CLONE_NEWUSER              0x10000000      /* New user namespace */#define CLONE_NEWPID               0x20000000      /* New pid namespace */#define CLONE_NEWNET               0x40000000      /* New network namespace */

不同类型的命名空间的作用：

IPC：用于隔离进程间通讯所需的资源（ System V IPC, POSIX message queues），PID命名空间和IPC命名空间可以组合起来用，同一个IPC名字空间内的进程可以彼此看见，允许进行交互，不同空间进程无法交互

Network：Network Namespace为进程提供了一个完全独立的网络协议栈的视图。包括网络设备接口，IPv4和IPv6协议栈，IP路由表，防火墙规则，sockets等等。一个Network Namespace提供了一份独立的网络环境，就跟一个独立的系统一样。

Mount：每个进程都存在于一个mount Namespace里面， mount Namespace为进程提供了一个文件层次视图。如果不设定这个flag，子进程和父进程将共享一个mount Namespace，其后子进程调用mount或umount将会影响到所有该Namespace内的进程。如果子进程在一个独立的mount Namespace里面，就可以调用mount或umount建立一份新的文件层次视图。

PID：：linux通过命名空间管理进程号，同一个进程，在不同的命名空间进程号不同！进程命名空间是一个父子结构，子空间对于父空间可见。

User：用于隔离用户

UTS：用于隔离主机名

每个进程都关联到自身的命名空间视图，在任务定义的结构体task_struct中有如下定义：

struct task_struct {.../* 命名空间 */struct nsproxy *nsproxy;...}

因为使用了指针，多个进程可以共享一组子命名空间。这样，修改给定的命名空间，对所有属于该命名空间的进程都是可见的。
init_nsproxy定义了初始的全局命名空间，其中维护了指向各子系统初始的命名空间对象的指针。在kernel/nsproxy.c文件内有

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#ifdef CONFIG_CGROUPS        .cgroup_ns              = &init_cgroup_ns,#endif#ifdef CONFIG_TIME_NS        .time_ns                = &init_time_ns,        .time_ns_for_children   = &init_time_ns,#endif};

三、UTS命名空间

UTS命名空间几乎不需要特别的处理，因为它只需要简单量，没有层次组织。所有相关信息都汇集到下列结构的一个实例中。在utsname.h文件内：

struct uts_namespace {        struct new_utsname name;        struct user_namespace *user_ns;        struct ucounts *ucounts;        struct ns_common ns;} __randomize_layout;

uts_namespace所提供的属性信息本身包含在struct new_utsname中：

struct oldold_utsname {        char sysname[9];        char nodename[9];        char release[9];        char version[9];        char machine[9];};#define __NEW_UTS_LEN 64struct old_utsname {        char sysname[65];        char nodename[65];        char release[65];        char version[65];        char machine[65];};struct new_utsname {        char sysname[__NEW_UTS_LEN + 1];        char nodename[__NEW_UTS_LEN + 1];        char release[__NEW_UTS_LEN + 1];        char version[__NEW_UTS_LEN + 1];        char machine[__NEW_UTS_LEN + 1];        char domainname[__NEW_UTS_LEN + 1];}

各个字符串分别存储了系统的名称（ Linux…）、内核发布版本、机器名，等等。使用uname工具可以取得这些属性的当前值，也可以在/proc/sys/kernel/中看到

z@z-virtual-machine:~$ cat /proc/sys/kernel/ostypeLinuxz@z-virtual-machine:~$ cat /proc/sys/kernel/osrelease5.3.0-40-generic

初始设置保存在init_uts_ns中，在init/version.c文件内：

struct uts_namespace init_uts_ns = {        .ns.count = REFCOUNT_INIT(2),        .name = {                .sysname        = UTS_SYSNAME,                .nodename       = UTS_NODENAME,                .release        = UTS_RELEASE,                .version        = UTS_VERSION,                .machine        = UTS_MACHINE,                .domainname     = UTS_DOMAINNAME,        },        .user_ns = &init_user_ns,        .ns.inum = PROC_UTS_INIT_INO,#ifdef CONFIG_UTS_NS        .ns.ops = &utsns_operations,#endif};