从零开始写 Docker(九)---实现 mydocker ps 查看运行中的容器

本文为从零开始写 Docker 系列第九篇，实现类似 docker ps 的功能，使得我们能够查询到后台运行中的所有容器。

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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. 概述

上一篇已经实现了mydocker run -d 命令，可以让容器脱离父进程在后台独立运行。

那么我们怎么知道有哪些容器在运行，而且它们的信息又是什么呢?

这里就需要实现 mydocker ps 命令了。其实 mydocker ps 命令比较简单，主要是去约定好的位置查询一下容器的信息数据，然后显示出来，因此数据准备就显得尤为重要。

因此整个实现分为两部分：

• 1）容器运行时记录数据
• 2）mydocker ps 查询数据

对于 docker 来说，他会把容器信息存储在var/lib/docker/containers 目录下。

• 读取 var/lib/docker/containers 目录下的所有文件夹就能拿到当前系统中的容器
• 读取/var/lib/docker/containers/{containerID}/config.v2.json 文件即可拿到对应容器的详细信息。

我们也参考着 Docker 实现即可。

2. 记录容器信息

在前面章节创建的容器中，所有关于容器的信息，比如PID、容器创建时间、容器运行命令等，都没有记录，这导致容器运行完后就再也不知道它的信息了，因此需要把这部分信息保留下来。

具体实现则是创建容器时将相关信息写入/var/lib/mydocker/containers/{containerId}/config.json 文件中。

具体流程如下图所示：

提供 -name flag

首先，要在 runCommand flag 里面增加一个 name 标签,方便用户启动容器时指定容器的名字。

var runCommand = cli.Command{
    Name: "run",
    Usage: `Create a container with namespace and cgroups limit
          mydocker run -it [command]`,
    Flags: []cli.Flag{
       // 省略其他内容
       cli.StringFlag{
          Name:  "name",
          Usage: "container name",
       },
    },
        Action: func(context *cli.Context) error {
       // 把namne传递给Run方法
       containerName := context.String("name")
       Run(tty, cmdArray, resConf, volume, containerName)
       return nil
    },

recordContainerInfo

然后，需要增加一个 record 方法记录容器的相关信息。在增加之前，需要一个 ID 生成器，用来唯一标识容器。

使用过 Docker 的都知道，每个容器都会有一个 ID,为了方便起见，mydocker 中就用 10 位数字来表示一个容器的 ID。

func randStringBytes(n int) string {
    letterBytes := "1234567890"
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    b := make([]byte, n)
    for i := range b {
       b[i] = letterBytes[rand.Intn(len(letterBytes))]
    }
    return string(b)
}

另外就是记录容器信息这个重要的环节，我们先定义了一个容器的一些基本信息，比如 PID 和创建时间等，然后默认把容器的信息以 json 的形式存储在宿主机的/var/run/mydocker/容器名/config.json文件里面。

容器完整信息的基本格式如下:

type Info struct {
    Pid         string `json:"pid"`        // 容器的init进程在宿主机上的 PID
    Id          string `json:"id"`         // 容器Id
    Name        string `json:"name"`       // 容器名
    Command     string `json:"command"`    // 容器内init运行命令
    CreatedTime string `json:"createTime"` // 创建时间
    Status      string `json:"status"`     // 容器的状态
}

然后就开始记录容器信息：

func RecordContainerInfo(containerPID int, commandArray []string, containerName, containerId string) error {
	// 如果未指定容器名，则使用随机生成的containerID
	if containerName == "" {
		containerName = containerId
	}
	command := strings.Join(commandArray, "")
	containerInfo := &Info{
		Id:          containerId,
		Pid:         strconv.Itoa(containerPID),
		Command:     command,
		CreatedTime: time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"),
		Status:      RUNNING,
		Name:        containerName,
	}

	jsonBytes, err := json.Marshal(containerInfo)
	if err != nil {
		return errors.WithMessage(err, "container info marshal failed")
	}
	jsonStr := string(jsonBytes)
	// 拼接出存储容器信息文件的路径，如果目录不存在则级联创建
	dirPath := fmt.Sprintf(InfoLocFormat, containerId)
	if err := os.MkdirAll(dirPath, constant.Perm0622); err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "mkdir %s failed", dirPath)
	}
	// 将容器信息写入文件
	fileName := path.Join(dirPath, ConfigName)
	file, err := os.Create(fileName)
	defer file.Close()
	if err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "create file %s failed", fileName)
	}
	if _, err = file.WriteString(jsonStr); err != nil {
		return errors.WithMessagef(err, "write container info to  file %s failed", fileName)
	}
	return nil
}

实际就是把容器的信息序列化之后持久化到磁盘的/var/run/{containerID}/config.json文件里。

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Run 方法修改

最后，在 Run 函数上加上对于这个函数的调用，代码如下：

func Run(tty bool, comArray []string, res *subsystems.ResourceConfig, volume, containerName string) {
	containerId := container.GenerateContainerID() // 生成 10 位容器 id

	parent, writePipe := container.NewParentProcess(tty, volume)
	if parent == nil {
		log.Errorf("New parent process error")
		return
	}
	if err := parent.Start(); err != nil {
		log.Errorf("Run parent.Start err:%v", err)
		return
	}

	// record container info
	err := container.RecordContainerInfo(parent.Process.Pid, comArray, containerName, containerId)
	if err != nil {
		log.Errorf("Record container info error %v", err)
		return
	}

	// 创建cgroup manager, 并通过调用set和apply设置资源限制并使限制在容器上生效
	cgroupManager := cgroups.NewCgroupManager("mydocker-cgroup")
	defer cgroupManager.Destroy()
	_ = cgroupManager.Set(res)
	_ = cgroupManager.Apply(parent.Process.Pid, res)

	// 在子进程创建后才能通过pipe来发送参数
	sendInitCommand(comArray, writePipe)
	if tty { // 如果是tty，那么父进程等待，就是前台运行，否则就是跳过，实现后台运行
		_ = parent.Wait()
		container.DeleteWorkSpace("/root/", volume)
		container.DeleteContainerInfo(containerId)
	}
}

另外再容器退出后，就需要删除容器的相关信息，实现也很简单，把对应目录的信息都删除就好了。

func DeleteContainerInfo(containerID string) {
	dirPath := fmt.Sprintf(InfoLocFormat, containerID)
	if err := os.RemoveAll(dirPath); err != nil {
		log.Errorf("Remove dir %s error %v", dirPath, err)
	}
}

到此为止，就完成了信息的收集。容器创建后，所有需要的信息都被存储到/var/lib/mydocker/containers/{containerID}下，下面就可以通过读取并遍历这个目录下的容器去实现 mydocker ps 命令了。

3. 实现 mydocker ps

具体实现则是遍历 /var/lib/mydocker/containers/ 目录，解析得到容器信息并汇总后以表格形式打印出来。

具体流程如下图所示：

listCommand

首先在 main_command.go 中增加 ps 命令：

var listCommand = cli.Command{
    Name:  "ps",
    Usage: "list all the containers",
    Action: func(context *cli.Context) error {
       ListContainers()
       return nil
    },
}

在 main.go 中引用该命令：

func main {
    // 省略其他内容
    app.Commands = []cli.Command{
       initCommand,
       runCommand,
       commitCommand,
       listCommand,
    }
}

具体实现见 ListContainers 方法。

ListContainers

整体实现也比较简单：

• 首先遍历存放容器数据的/var/lib/mydocker/containers/目录，里面每一个子目录都是一个容器。
• 然后使用 getContainerInfo 方法解析子目录中的 config.json 文件拿到容器信息
• 最后格式化成 table 形式打印出来即可

func ListContainers() {
	// 读取存放容器信息目录下的所有文件
	files, err := os.ReadDir(container.InfoLoc)
	if err != nil {
		log.Errorf("read dir %s error %v", container.InfoLoc, err)
		return
	}
	containers := make([]*container.Info, 0, len(files))
	for _, file := range files {
		tmpContainer, err := getContainerInfo(file)
		if err != nil {
			log.Errorf("get container info error %v", err)
			continue
		}
		containers = append(containers, tmpContainer)
	}
	// 使用tabwriter.NewWriter在控制台打印出容器信息
	// tabwriter 是引用的text/tabwriter类库，用于在控制台打印对齐的表格
	w := tabwriter.NewWriter(os.Stdout, 12, 1, 3, ' ', 0)
	_, err = fmt.Fprint(w, "ID\tNAME\tPID\tSTATUS\tCOMMAND\tCREATED\n")
	if err != nil {
		log.Errorf("Fprint error %v", err)
	}
	for _, item := range containers {
		_, err = fmt.Fprintf(w, "%s\t%s\t%s\t%s\t%s\t%s\n",
			item.Id,
			item.Name,
			item.Pid,
			item.Status,
			item.Command,
			item.CreatedTime)
		if err != nil {
			log.Errorf("Fprint error %v", err)
		}
	}
	if err = w.Flush(); err != nil {
		log.Errorf("Flush error %v", err)
	}
}

getContainerInfo

具体的解析方法则提取到了 getContainerInfo。

读取文件内容，并反序列化得到容器信息。

func getContainerInfo(file os.DirEntry) (*container.Info, error) {
	// 根据文件名拼接出完整路径
	configFileDir := fmt.Sprintf(container.InfoLocFormat, file.Name())
	configFileDir = path.Join(configFileDir, container.ConfigName)
	// 读取容器配置文件
	content, err := os.ReadFile(configFileDir)
	if err != nil {
		log.Errorf("read file %s error %v", configFileDir, err)
		return nil, err
	}
	info := new(container.Info)
	if err = json.Unmarshal(content, info); err != nil {
		log.Errorf("json unmarshal error %v", err)
		return nil, err
	}

	return info, nil
}

4. 测试

测试以下功能：

• 创建容器后能否记录信息到文件
• mydocker ps 能否正常读取并展示容器信息

记录容器信息

分别测试指定容器名称和不知道名称两种情况。

指定名称

通过--name 指定容器名称，并通过-d 指定后台运行：

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ./mydocker run -d -name runtop top
{"level":"info","msg":"createTty false","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"busybox:/root/busybox busybox.tar:/root/busybox.tar","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/merged error. mkdir /root/merged: file exists","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/upper error. mkdir /root/upper: file exists","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/work error. mkdir /root/work: file exists","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/root/busybox,upperdir=/root/upper,workdir=/root/work /root/merged]","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is top","time":"2024-01-25T14:20:11+08:00"}

可以看到此时，命令已经退出了，查询容器(top 命令)是否在后台运行。

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ps -ef|grep -e PPID -e top
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root      169514       1  0 14:20 pts/8    00:00:00 top

后台确实有一个 top 命令在运行，PID 为 169514。

查看 /var/lib/mydocker/containers 目录，是否新增了容器信息记录文件

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers
5633481844
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers/5633481844/
config.json
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# cat /var/lib/mydocker/containers/5633481844/config.json
{"pid":"169514","id":"5633481844","name":"runtop","command":"top","createTime":"2024-01-25 14:20:11","status":"running"}

可以看到，config.json 文件记录了容器名称，id、pid、command 等信息，基于这些信息，我们执行 mydocker ps 时就可以列出当前正在运行的容器信息了。

不指定名称

在测试一下不指定名称的容器，能否正常记录。

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ./mydocker run -d  top
{"level":"info","msg":"createTty false","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"resConf:\u0026{ 0  }","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"busybox:/root/busybox busybox.tar:/root/busybox.tar","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/merged error. mkdir /root/merged: file exists","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/upper error. mkdir /root/upper: file exists","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"error","msg":"mkdir dir /root/work error. mkdir /root/work: file exists","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"mount overlayfs: [/usr/bin/mount -t overlay overlay -o lowerdir=/root/busybox,upperdir=/root/upper,workdir=/root/work /root/merged]","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}
{"level":"info","msg":"command all is top","time":"2024-01-25T14:22:28+08:00"}

查看 /var/lib/mydocker/containers 目录是否新增记录文件

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers
5633481844  8636128862
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ls /var/lib/mydocker/containers/8636128862/
config.json
root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# cat /var/lib/mydocker/containers/8636128862/config.json
{"pid":"169707","id":"8636128862","name":"8636128862","command":"top","createTime":"2024-01-25 14:22:28","status":"running"

可以看到，新增了 8636128862 目录，其中 8636128862 就是容器 ID，对于未指定名称的容器，会使用生成的 id 作为名称。

接着查看一下/var/lib/mydocker/containers目录结构：

root@mydocker:/var/lib/mydocker/containers# tree .
.
├── 5633481844
│   └── config.json
└── 8636128862
    └── config.json

可以看到，mydocker 分别在该路径下创建了两个文件夹，分别以容器的ID命名。

子目录里面的config.json 存储了容器的详细信息。

至此，说明我们的容器信息记录功能是正常的。

mydocker ps

最后测试 mydocker ps 命令能否正常展示，容器信息。

root@mydocker:~/feat-ps/mydocker# ./mydocker ps
ID           NAME         PID         STATUS      COMMAND     CREATED
5633481844   runtop       169514      running     top         2024-01-25 14:20:11
8636128862   8636128862   169707      running     top         2024-01-25 14:22:28

成功打印出了当前运行中的两个容器，说明 mydocker ps 命令是 ok 的。

5. 总结

本篇实现的 mydocker ps 比较简单，和 docker 实现基本类似：

• 容器启动把信息存储在var/lib/mydocker/containers 目录下

• 读取 var/lib/mydocker/containers 目录下的所有文件夹就能拿到当前系统中的容器

• 读取/var/lib/mydocker/containers/{containerID}/config.json 文件即可拿到对应容器的详细信息。

不过现在由于没有隔离每个容器的 rootfs，因此启动多个容器时会出现一些问题,不过不是本篇重点，暂时先不关注，等后续统一处理。

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完整代码见：https://github.com/lixd/mydocker

欢迎关注~

相关代码见 feat-volume 分支,测试脚本如下：

需要提前在 /root 目录准备好 busybox.tar 文件，具体见第四篇第二节。

# 克隆代码
git clone -b feat-ps https://github.com/lixd/mydocker.git
cd mydocker
# 拉取依赖并编译
go mod tidy
go build .
# 测试
./mydocker run -d -name c1 top