程序员必知的六种隔离技术

节选自《Growth: 全栈增长工程师指南》

为了将我们的应用部署到服务器上，我们需要为其配置一个运行环境。从底层到顶层有这样的运行环境及容器：

1. 隔离硬件：虚拟机

2. 隔离操作系统：容器虚拟化

3. 隔离底层：Servlet容器

4. 隔离依赖版本：虚拟环境

5. 隔离运行环境：语言虚拟机

6. 隔离语言：DSL

实现上这是一个请求的处理过程，一个HTTP请求会先到达你的主机。如果你的主机上运行着多个虚拟机实例，那么请求就会来到这个虚拟机上。又或者是如果你是在Docker这一类容器里运行你的程序的话，那么也会先到达Docker。随后这个请求就会交由HTTP服务器来处理，如Apache、Nginx，这些HTTP服务器再将这些请求交由对应的应用或脚本来处理。随后将交由语言底层的指令来处理。 

不同的环境有不同的选择，当然也可以结合在一起。不过，从理论上来说在最外层还是应该有一个真机的，但是我想大家都有这个明确的概念，就不多解释了。

1、隔离硬件（虚拟机）

在虚拟机技术出现之前，为了运行不同用户的应用程序，人们需要不同的物理机才能实现这样的需求。对于Web应用程序来说，有的用户的网站访问量少消耗的系统资源也少，有的用户的网站访问量大消耗的系统资源也多。虽然有不同的服务器类型可以选择，然而对于多数的访问少的用户来说他们需要支付同样的费用。这听上去相当的不合理，并且也浪费了大量的资源。并且对于系统管理员来说，管理这些系统也不是一件容易的事。在过去硬件技术革新特别快，让操作系统运行在不同的机器上也不是一件容易的事。

虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。

这是一个很有意思的技术，它可以让我们在一个主机上同时运行几个不同的操作系统。我们可以为这几个操作系统使用不同的硬件，在这之上的应用可以使用不同的技术栈来运行，并且从理论上互相不影响。其架构如下图所示：

借助于虚拟机技术，当我们需要更多的资源的时候，创建一个新的虚拟机就行了。同时，由于这些虚拟机上运行的是同样的操作系统，并且可以使用相同的配置，我们只需要编写一些脚本就可以实现其自动化。当我们的物联机发生问题时，我们也可以很快将虚拟机迁移或恢复到另外的宿主机。

2、隔离操作系统（容器虚拟化）

对于大部分的开发团队来说，直接开发基于虚拟机的自动化工具不是一件容易的事，并且他从使用成本上来说比较高。这时候我们就需要一些更轻量级的工具容器——它可以提供轻量级的虚拟化，以便隔离进程和资源，而且不需要提供指令解释机制以及全虚拟化的其他复杂性。并且，它从启动速度上来说更快。

LXC

在介绍Docker之前，我们还是稍微提一下LXC。因为在过去我有一些使用LXC的经历，让我觉得LXC很赞。

LXC，其名称来自Linux软件容器（Linux Containers）的缩写，一种操作系统层虚拟化（Operating system–level virtualization）技术，为Linux内核容器功能的一个用户空间接口。它将应用软件系统打包成一个软件容器（Container），内含应用软件本身的代码，以及所需要的操作系统核心和库。通过统一的名字空间和共用API来分配不同软件容器的可用硬件资源，创造出应用程序的独立沙箱运行环境，使得Linux用户可以容易的创建和管理系统或应用容器。

我们可以将之以上面说到的虚拟机作一个简单的对比，其架构图如下所示：

我们会发现虚拟机中多了一层Hypervisor——运行在物理服务器和操作系统之间，它可以让多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件。这一层级可以协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机，然而由于这一层级的存在，它也将消耗更多的能量。据爱立信研究院和阿尔托大学发表的论文表示：Docker、LXC与Xen、KVM在完成相同的工作时要少消耗10%的能耗。

LXC主要是利用cgroups与namespace的功能，来向提供应用软件一个独立的操作系统运行环境。cgroups（即Control Groups）j Linux内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源的机制。而由namespace来责任隔离控制。

与虚拟机相比，LXC隔离性方面有所不足，这就意味着在实现可移植部署会遇到一些困难。这时候，我们就需要Docker来提供一个抽象层，并提供一个管理机制。

Docker

Docker 是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何流行的 Linux 机器上，也可以实现虚拟化。Docker可以自动化打包和部署任何应用、创建一个轻量级私有PaaS云、搭建开发测试环境、部署可扩展的Web应用等。

构建出Docker的Container是一个很有意思的过程。在这一个过程中，首先我们需要一个base images，这个基础镜像不仅包含了一个基础系统，如Ubuntu、Debian。他还包含了一系列的模块，如初始化进程、SSH服务、syslog-ng等等的一些工具。由上面原内容构建了一个基础镜像，随后的修改都将于这个镜像，我们可以用它生成新的镜像，一层层的往上叠加。而用户的进程运行在writeable的layer中。 

从上图中我们还可以发现一点： Docker容器是建立在Aufs基础上的。AUFS是一种Union File System，它可以不同的目录挂载到同一个虚拟文件系统下。它的目的就是为了实现上图的增量递增的过程，同时又不会影响原有的目录。即如下的流程如下：

其增量的过程和我们使用Git的过程中有点像，除了在最开始的时候会有一个镜像层。随后我们的修改都可以保存下来，并且当下次我们提交修改的时候，我们也可以在旧有的提交上运行。

因此，Docker与LXC的差距就如下如图所示：

LXC时每个虚拟机只能是一个虚拟机，而Docker则是一系列的虚拟机。

3、隔离底层（Servlet容器）

在上面的例子里我们已经隔离开了操作系统的因素，接着我们还需要解决操作系统、开发环境引起的差异。早期开发Web应用时，人们使用CGI技术，它可以让一个客户端，从网页浏览器向执行在网络服务器上的程序请求数据。并且CGI程序可以用任何脚本语言或者是完全独立编程语言实现，只要这个语言可以在这个系统上运行。而这样的脚本语言在多数情况下是依赖于系统环境的，特别是针对于C++这一类的编译语言来说，在不同的操作系统中都需要重新编译。

而Java的Servlet则是另外一种有趣的存在，它是一种独立于平台和协议的服务器端的Java应用程序，可以生成动态的Web页面。

Tomcat

在开发Java Web应用的过程中，我们在开始环境使用Jetty来运行我们的服务，而在生产环境使用Tomcat来运行。他们都是Servlet容器，可以在其上面运行着同一个Servlet应用。Servlet是指由Java编写的服务器端程序，它们是为响应Web应用程序上下文中的HTTP请求而设计的。它是应用服务器中位于组件和平台之间的接口集合。

Tomcat服务器是一个免费的开放源代码的Web应用服务器。它运行时占用的系统资源小，扩展性好，支持负载平衡与邮件服务等开发应用系统常用的功能。除此，它还是一个Servlet和JSP容器，独立的Servlet容器是Tomcat的默认模式。其架构如下图所示：

Servlet被部署在应用服务器中，并由容器来控制其生命周期。在运行时由Web服务器软件处理一般请求，并把Servlet调用传递给“容器”来处理。并且Tomcat也会负责对一些静态资源的处理。

4、隔离依赖版本（虚拟环境）

对于Java这一类的编译语言来说，不存在太多语言运行带来的问题。而对于动态语言来说就存在这样的问题，如Ruby、Python、Node.js等等，这一个问题主要集中于开发环境。当然如果你在一个服务器上运行着几个不同的应用来说，也会存在这样的问题。这一类的工具在Python里有VirtualEnv，在Ruby里有RVM、Rbenv，在Node.js里有NVM。

下图是使用VirtualEnv时的不同几个应用的架构图：

如下所示，在不同的虚拟环境里，我们可以使用不同的依赖库。在这上面构建不同的应用，也可以使用不同的Python版本来构建系统。通常来说，这一类的工具主要用于本地的开发环境。

5、隔离运行环境（语言虚拟机）

最后一个要介绍的可能就是更加抽象的，但是也是更加实用的一个，JVM就是这方面的一个代表。在我们的编程生涯里，我们很容易就会遇到跨平台问题——即我们在我们的开发机器上开发的软件，在我们的产品环境的机器上就没有办法运行。特别是当我们使用Mac OS或者Windows机器上开发了我们的应用，然后我们需要在Linux系统上运行，就会遇到各种问题。并且当我们使用了一个需要重新编译的库时，这种问题就更加麻烦。

如下图所示的是JVM的架构示意图

JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。它可以实现“编写一次，到处运行”。

换句话来说，它在底层实现了环境隔离，它屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

基于此，只要其他编程语言的编译器能生成正确Java bytecode文件，这个语言也能实现在JVM上运行。如下图所示的是基于JVM的Jython语言的架构图：

其底层是基于JVM，而编写时则是用Python语言，并且他可以使用Java的模块来编程。

常见拥有同样架构的工具，还有MySQL，如下图是所示的是MySQL的架构图：

MySQL在最顶层提供了一个名为SQL的查询语言，这个查询语言只能用于查询数据库，然而它却是一种更高级的用法 。它不像通用目的语言那样目标范围涵盖一切软件问题，而是专门针对某一特定问题的计算机语言，即领域特定语言。

6、隔离语言（DSL）

这是一门特别有意思也特别值得期待的技术，但是实现它并不是一件容易的事。

作为讨论隔离环境的一部分，我们只看外部DSL。内部DSL与外部DSL最大的区别在于：外部DSL近似于创建了一种新的语法和语义的全新语言。如下图所示是两中DSL的一种对比：

在这样的外部DSL里，我们有自己的语法、自己的解析器、类型检测器等等。最简单且最常用的DSL就是Markdown，如下图所示：

如果我们可以将我们的业务逻辑写成DSL，那么我们就不需要担心底层语言的变动过多地影响原有的业务逻辑。换句话说，这相当于创建了我们自己的语言隔离环境，我们不需要思考用何种语言来实用我们的业务。