Manjusaka

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コンテナ内の1号プロセスについて簡単に話しましょう

新年が来ましたので、時間があるうちに技術的な水文をいくつか書くことにしました。今日は、私たちが毎日接触するコンテナ内の 1 号プロセスについて簡単に話したいと思いますが、しばしば見落とされがちな存在です。

本文#

コンテナ技術は現在に至るまで、実際に形態が大きく変化しました。異なるシーンに応じて、従来の Docker1containerd2 のような、CGroup + Namespace に基づく従来型のコンテナ形態もあれば、Kata3 のような VM に基づく新型のコンテナ形態もあります。本記事では、主に従来のコンテナにおける 1 号プロセスに焦点を当てます。

私たちは、従来のコンテナが CGroup + Namespace に依存してリソースを隔離していることを知っていますが、本質的には OS 内の一つのプロセスです。したがって、コンテナに関連する内容をさらに掘り下げる前に、まず Linux におけるプロセス管理について簡単に話しましょう。

Linux におけるプロセス管理#

プロセスについて簡単に話す#

Linux におけるプロセスは、実際には非常に大きな話題です。もし詳細に話すなら、この話題は一冊の本に相当します = =。したがって、時間を考慮して、最も核心的な部分に焦点を当てましょう(実際には私も多くのことを理解していませんが)。

まず、カーネル内で特別な構造体を利用してプロセスに関する情報を管理します。例えば、一般的な PID、プロセスの状態、オープンしているファイル記述子などの情報です。カーネルコード内では、この構造体は task_struct4 と呼ばれ、その大まかな構造は下の図を見てください。

task_struct

通常、システム上では多くのプロセスが実行されています。したがって、カーネルはプロセス表(実際には Linux ではプロセス表を管理するために複数のデータ構造があり、ここでは PID ハッシュマップを例に挙げます)を使用して、すべてのプロセス記述子に関連する情報を管理します。詳細は下の図を参照してください。

PID Hash Table

さて、ここでプロセスの基本構造を理解しましたので、次に一般的なプロセスの使用シーンである親子プロセスについて見てみましょう。私たちは時々、fork5 というシステムコールを使用して新しいプロセスを作成します。通常、新しく作成されるプロセスは現在のプロセスの子プロセスです。では、カーネル内でこの親子関係をどのように表現しているのでしょうか?

先ほど言及した task_struct に戻ります。この構造体には、親子関係を表すためのいくつかのフィールドがあります。

  1. real_parent:親プロセスを指す task_struct ポインタ

  2. parent: 親プロセスを指す task_struct ポインタ。ほとんどの場合、このフィールドの値は real_parent と一致しますが、現在のプロセスに対して ptrace6 などの操作が行われた場合、このフィールドは real_parent と一致しないことがあります。

  3. children:list_head、現在のプロセスによって作成されたすべての子プロセスの双方向リストを指します。

ここで少し抽象的かもしれませんので、図を示すとわかりやすいでしょう。

Relation Between Process

実際には、異なるプロセス間の親子関係は、具体的なデータ構造に反映されると、完全な木構造を形成します(この点を覚えておいてください。後で再度言及します)。

ここまでで、Linux におけるプロセスについての最も基本的な概念を理解しました。次に、プロセス使用中によく遭遇する 2 つの問題について話しましょう:孤児プロセスとゾンビプロセスです。

孤児プロセス && ゾンビプロセス#

まず、ゾンビプロセス という概念について話しましょう。

前述のように、カーネルにはプロセス表があり、プロセス記述子に関連する情報を管理しています。Linux の設計では、子プロセスが終了すると、そのプロセスに関連する状態が保存され、親プロセスが waitpid7 を呼び出して子プロセスの状態を取得し、関連リソースをクリーンアップします。

したがって、親プロセスは子プロセスの状態を取得する必要がある場合があります。これにより、カーネル内のプロセス表は関連リソースを保持し続けます。ゾンビプロセスが増えると、大きなリソースの無駄が生じます。

まずは、簡単なゾンビプロセスの例を見てみましょう。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  int pid;
  if ((pid = fork()) == 0) {
    printf("子プロセスです\n");
  } else {
    printf("子プロセスの PID は %d です\n", pid);
    sleep(20);
  }
  return 0;
}

このコードをコンパイルして実行し、ps コマンドを使って確認すると、確かにゾンビプロセスが生成されていることがわかります。

Z Process Demo

次に、子プロセスの終了を正しく処理するコードを見てみましょう。

#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/signalfd.h>
#include <sys/wait.h>

#define MAXEVENTS 64
void deletejob(pid_t pid) { printf("タスク %d を削除します\n", pid); }

void addjob(pid_t pid) { printf("タスク %d を追加します\n", pid); }

int main(int argc, char **argv) {
  int pid;
  struct epoll_event event;
  struct epoll_event *events;
  sigset_t mask;
  sigemptyset(&mask);
  sigaddset(&mask, SIGCHLD);
  if (sigprocmask(SIG_SETMASK, &mask, NULL) < 0) {
    perror("sigprocmask");
    return 1;
  }
  int sfd = signalfd(-1, &mask, 0);
  int epoll_fd = epoll_create(MAXEVENTS);
  event.events = EPOLLIN | EPOLLEXCLUSIVE | EPOLLET;
  event.data.fd = sfd;
  int s = epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
  if (s == -1) {
    abort();
  }
  events = calloc(MAXEVENTS, sizeof(event));
  while (1) {
    int n = epoll_wait(epoll_fd, events, MAXEVENTS, 1);
    if (n == -1) {
      if (errno == EINTR) {
        fprintf(stderr, "epoll EINTR エラー\n");
      } else if (errno == EINVAL) {
        fprintf(stderr, "epoll EINVAL エラー\n");
      } else if (errno == EFAULT) {
        fprintf(stderr, "epoll EFAULT エラー\n");
        exit(-1);
      } else if (errno == EBADF) {
        fprintf(stderr, "epoll EBADF エラー\n");
        exit(-1);
      }
    }
    printf("%d\n", n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      if ((events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) ||
          (!(events[i].events & EPOLLIN))) {
        printf("%d\n", i);
        fprintf(stderr, "epoll エラー\n");
        close(events[i].data.fd);
        continue;
      } else if (sfd == events[i].data.fd) {
        struct signalfd_siginfo si;
        ssize_t res = read(sfd, &si, sizeof(si));
        if (res < 0) {
          fprintf(stderr, "読み取りエラー\n");
          continue;
        }
        if (res != sizeof(si)) {
          fprintf(stderr, "何かが間違っています\n");
          continue;
        }
        if (si.ssi_signo == SIGCHLD) {
          printf("SIGCHLD を受信しました\n");
          int child_pid = waitpid(-1, NULL, 0);
          deletejob(child_pid);
        }
      }
    }
    if ((pid = fork()) == 0) {
      execve("/bin/date", argv, NULL);
    }
    addjob(pid);
  }
}

さて、私たちは子プロセスが終了した後、親プロセスが関連リソースを正しく回収する必要があることを理解しました。しかし、問題は、親プロセスが子プロセスより先に終了した場合です。実際、これは非常に一般的なシーンです。例えば、皆さんが 2 回の fork を使用してデーモンプロセスを実現する場合です。

一般的な認識として、親プロセスが終了すると、そのプロセスに属するすべての子プロセスは現在の PID 名前空間の 1 号プロセスに re-parent されると考えられますが、これは正しいのでしょうか?はい、そうとも言えますが、そうでない場合もあります。まずは例を見てみましょう。

#include <stdio.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  int pid;
  int err = prctl(PR_SET_CHILD_SUBREAPER, 1);
  if (err != 0) {
    return 0;
  }
  if ((pid = fork()) == 0) {
    if ((pid = fork()) == 0) {
      printf("子プロセス1です\n");
      sleep(20);
    } else {
      printf("子プロセスの PID は %d です\n", pid);
    }
  } else {
    sleep(40);
  }
  return 0;
}

これは、デーモンプロセスを作成するための 2 回の fork を使用した典型的なコードです(SIGCHLD の処理は書いていませんが)。このコードの出力を見てみましょう。

Daemon Process Output1

私たちは、デーモンプロセスの PID が 449920 であることを確認できます。

次に、ps -efjps auf の 2 つのコマンドを実行して結果を確認します。

Daemon Process Output2

私たちは、449920 というプロセスが親プロセスが終了した後に現在の名前空間の 1 号プロセスに re-parent されていないことを確認できます。これはなぜでしょうか?鋭い方は、このコードに特別なシステムコール prctl8 が含まれていることに気づいているかもしれません。私たちは現在のプロセスに PR_SET_CHILD_SUBREAPER の属性を設定しました。

ここで、カーネル内の実装を見てみましょう。

/*
 * 私たちが死ぬとき、すべての子プロセスを re-parent しようとします。
 * 1. もしスレッドグループ内に他のスレッドが存在すれば、それに渡します。
 * 2. 子プロセスのために自分自身を子サブリーパーとして設定した最初の祖先プロセスに渡します(サービスマネージャーのように)。
 * 3. 前述の2つが無効な場合、現在の PID 名前空間の init プロセス(PID 1)に渡します。
 */
static struct task_struct *find_new_reaper(struct task_struct *father,
					   struct task_struct *child_reaper)
{
	struct task_struct *thread, *reaper;

	thread = find_alive_thread(father);
	if (thread)
		return thread;

	if (father->signal->has_child_subreaper) {
		unsigned int ns_level = task_pid(father)->level;
		/*
		 * 現在の PID 名前空間内で最初の ->is_child_subreaper 祖先を見つけます。
		 * reaper != child_reaper をチェックできないのは、名前空間を越えないようにするためです。
		 * exiting parent は setns() + fork() によって注入される可能性があります。
		 * pid->level をチェックします。これは、task_active_pid_ns(reaper) != task_active_pid_ns(father) よりもわずかに効率的です。
		 */
		for (reaper = father->real_parent;
		     task_pid(reaper)->level == ns_level;
		     reaper = reaper->real_parent) {
			if (reaper == &init_task)
				break;
			if (!reaper->signal->is_child_subreaper)
				continue;
			thread = find_alive_thread(reaper);
			if (thread)
				return thread;
		}
	}

	return child_reaper;
}

ここでまとめると、親プロセスが終了した後、所属する子プロセスは次の順序で re-parent されます。

  1. スレッドグループ内の他の利用可能なスレッド(ここでのスレッドは少し異なる場合がありますので、一時的に無視できます)。

  2. 現在のプロセスツリー内で PR_SET_CHILD_SUBREAPER を設定したプロセスを探し続けます。

  3. 前述の 2 つが無効な場合、現在の PID 名前空間内の 1 号プロセスに re-parent されます。

ここまでで、Linux におけるプロセス管理の基礎的な紹介が完了しました。それでは、コンテナ内の状況について話しましょう。

コンテナ内の 1 号プロセス#

ここでは、Docker を背景にこの話題を扱います。まず、Docker 1.11 以降、そのアーキテクチャは大きく変化しました。以下の図を見てください。

Docker Arch since version 1.11

コンテナを起動するプロセスは次のようになります。

  1. Docker Daemon が containerd に指示を送信します。

  2. containerd が containterd-shim プロセスを作成します。

  3. containerd-shim が runc プロセスを作成します。

  4. runc プロセスは OCI 標準に従って、関連環境(cgroup の作成、ns の作成など)を設定し、entrypoint に設定されたコマンドを実行します。

  5. runc は関連設定を実行した後、自身を終了します。この時、その子プロセス(すなわちコンテナ名前空間内の 1 号プロセス)は containerd-shim プロセスに re-parent されます。

さて、上記のステップ 5 の操作は、前のセクションで説明した prctlPR_SET_CHILD_SUBREAPER に依存しています。

これにより、containerd-shim はコンテナ内のプロセスに関連する操作を引き受けます。親プロセスが終了しても、子プロセスは re-parent のプロセスに従って containerd-shim プロセスに管理されます。

では、これで問題がないのでしょうか?

答えは明らかに「いいえ」です。実際のシーンを挙げてみましょう。例えば、あるサービスが「優雅なシャットダウン」という要件を実現する必要があるとします。通常、私たちはプロセスを強制終了する前に、SIGTERM 信号を利用してこの機能を実現します。しかし、コンテナの時代には、1 号プロセスがプログラム自体でない可能性があります(例えば、皆さんが習慣的に entrypoint で bash を使ってラップする場合など)または、特別なシーンでコンテナ内のプロセスがすべて containerd-shim に管理されている場合です。そして、containerd-shim は信号転送の能力を持っていません。

したがって、このようなシーンでは、私たちは追加のコンポーネントを導入して要件を満たす必要があります。ここでは、コンテナ専用に設計された非常に軽量な 1 号プロセスプロジェクト tini9 を紹介します。

ここで、いくつかのコアコードを見てみましょう。

int register_subreaper () {
	if (subreaper > 0) {
		if (prctl(PR_SET_CHILD_SUBREAPER, 1)) {
			if (errno == EINVAL) {
				PRINT_FATAL("PR_SET_CHILD_SUBREAPER はこのプラットフォームでは利用できません。Linux >= 3.4 を使用していますか?")
			} else {
				PRINT_FATAL("子サブリーパーとして登録に失敗しました: %s", strerror(errno))
			}
			return 1;
		} else {
			PRINT_TRACE("子サブリーパーとして登録されました");
		}
	}
	return 0;
}

int wait_and_forward_signal(sigset_t const* const parent_sigset_ptr, pid_t const child_pid) {
	siginfo_t sig;

	if (sigtimedwait(parent_sigset_ptr, &sig, &ts) == -1) {
		switch (errno) {
			case EAGAIN:
				break;
			case EINTR:
				break;
			default:
				PRINT_FATAL("sigtimedwait で予期しないエラーが発生しました: '%s'", strerror(errno));
				return 1;
		}
	} else {
		/* ここで処理すべき信号があります */
		switch (sig.si_signo) {
			case SIGCHLD:
				/* 特別に処理されます。SIGCHLD は転送しません。代わりに、プロセスを回収します。 */
				PRINT_DEBUG("SIGCHLD を受信しました");
				break;
			default:
				PRINT_DEBUG("信号を転送します: '%s'", strsignal(sig.si_signo));
				/* 他の信号を転送します */
				if (kill(kill_process_group ? -child_pid : child_pid, sig.si_signo)) {
					if (errno == ESRCH) {
						PRINT_WARNING("子プロセスは信号転送時に死亡していました");
					} else {
						PRINT_FATAL("信号転送時に予期しないエラーが発生しました: '%s'", strerror(errno));
						return 1;
					}
				}
				break;
		}
	}

	return 0;
}

ここで、2 つのコアポイントが明確に示されています。

  1. tini は prctlPR_SET_CHILD_SUBREAPER を使用してコンテナ内の孤児プロセスを引き受けます。

  2. tini は信号を受信すると、子プロセスまたは所属する子プロセスグループに信号を転送します。

もちろん、tini 自体にもいくつかの小さな問題があります(ただし、あまり一般的ではありません)。ここで議論のための問題を残します。例えば、私たちが 10 個のデーモンプロセスを作成した後に自分自身が終了するサービスがあるとします。この 10 個のデーモンプロセスの中で、全く新しいプロセスグループ ID を設定します(いわゆるプロセスグループ逃避)。その場合、どのようにして信号をこの 10 個のプロセスに転送しますか(議論のために提供します。実際にこれを行う人は早々に叩かれるでしょう)。

まとめ#

ここまで読んでいただいた方の中には、私が容器内の 1 号プロセスについて話すと約束したのに、Linux プロセスについての話が大半を占めていると不満に思う方もいるかもしれません。

実際、従来のコンテナは基本的に OS 内で実行される完全なプロセスと見なすことができます。コンテナ内の 1 号プロセスについて議論することは、Linux におけるプロセス管理に関する知識を議論することから外れることはできません。

この技術的な水文が、コンテナ内の 1 号プロセスについての大まかな理解を助け、正しく使用し管理できることを願っています。

最後に、皆さんに新年のご挨拶を申し上げます!(新年には水文を書く生活から解放されたいです、ううううう)

参考文献#

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