Unikernel: 从不入门到入门

Unikernels: Beyond Containers to the Next Generation of Cloud 是 Russ Pavlicek 的一本动物书（虽然是 O’Reilly 的，但是封面不是动物，是石榴），这本书对 Unikernel 有着比较全面的介绍，而且电子书是免费的，值得一读。

啥是 Unikernel？

从 2014 年以来，容器以一种不可逆转的态势席卷了全球，Unikernel 是很多人眼中的下一个容器。如果要了解什么是 Unikernel，首先需要了解什么是 kernel，kernel 是操作系统中的一个概念。应用要运行起来，是肯定要跟硬件打交道的，但是如果让应用都直接操作硬件，那一定是一场灾难。那内核就是在应用与硬件中间的一层抽象，内核提供了对底层硬件的抽象，比如把硬盘抽象成了文件，通过文件系统进行管理。传统的内核会将所有的硬件抽象都实现在其中，其中的代表就是 Linux，这样的内核被称为宏内核（Monolithic Kernel)。在宏内核中，所有的模块，诸如进程管理，内存管理，文件系统等等都是实现在内核中的。这样虽然不存在通信问题，但是任何一个模块的 bug 会使得整个内核崩溃。

于是学者们提出了微内核（Micro Kernel）的概念，在内核中只保留必要的模块，比如IPC，内存管理，CPU调度等等。而其他，诸如文件系统，网络IO等等，都放在用户态来实现。这样会使得内核不那么容易崩溃，而且内核需要的内存小了。但是由于模块间的通信需要以 IPC 的方式进行，因此有一定的 overhead，效率不如很莽的宏内核。

那后来又有了混合内核（Hybrid Kernel)，把一部分不常使用的内核模块，或者是原本需要的时间就很长，因此 IPC 的 overhead 看起来就不是那么夸张的功能，移出内核，而其他的就会放在内核里。

再后来还有 Exokernel，但是太长了就不讲了，这部分内容在 CSP 课堂笔记之 UniKernel 一文中有更详细的解释。

直接说 Unikernel，Unikernel 的官方解释是

Unikernels are specialised, single-address-space machine images constructed by using library operating systems.

翻译一下就是

Unikernel 是专用的，单地址空间的，使用 library OS 构建出来的镜像

其最大的卖点就是在，没有用户空间与内核空间之分，只有一个连续的地址空间。这样使得 Unikernel 中只能运行一个应用，而且对于运行的应用而言，没有硬件抽象可言，所有的逻辑，包括应用逻辑和操作硬件的逻辑，都在一个地址空间中。

这样有啥好？

哦，原来 Unikernel 就是一个单一内存空间的内核镜像，其中只能有一个应用在运行，那这样有啥好呢，为啥值得我放弃 Linux 而用你这么一个看上去像是阉割版的内核呢？好处就在，小，快，安♂全 /w

Unikernel 镜像都很小，由 MirageOS 实现的一个 DNS server 才 184KB，实现的一个 web server 674 KB，小到恐怖的程度。

然后就是快，启动很快。因为镜像都很小，所以起停都在毫秒级别，比传统的 kernel 要快多了。

最后是安全，一般来讲，小的东西相对而言比较安全。Unikernel 中没有 Shell 可用，没有密码文件，没有多余的设备驱动，这使得 Unikernel 更加安全。

开发测试与传统有啥不同？

Unikernel 在真正实践中，如何开发与测试是一个值得关注的问题。在开发过程中，开发者可以假定自己在传统的操作系统上进行开发，而所有内核相关的功能，暂且由开发机的操作系统提供。

而在测试环境中，大部分 Unikernel 的实现会将应用代码与需要的内核模块构建成 Unikernel 后，再将其跑在一个传统的操作系统上，利用传统操作系统上的工具来测试 Unikernel。以 Rumprun 为例，它可以通过 KVM/QEMU 来运行一个 Rumprun Unikernel VM，随后用 Host OS 上的 GDB 来对其进行调试，具体细节可见此处。关于调试就介绍到此，如果你想了解更多，Hacker News 上的这个 post 可能会给你一些启发。

在发布阶段，这是 Unikernel 最简单的事情了。Unikernel 最后的产物就是一个 kernel image，可以在 Hypervisor，Bare Metal 等等各种环境上运行。

所以可以看到，其中 Unikernel 在软件过程中与传统方式最大的不同就在于调试与测试。而在发布的阶段，传统的方式可能发布的是一个应用，时髦一点那一个容器镜像，而 Unikernel 则是一个高度定制化的 kernel。

目前的 Unikernel 项目

介绍完 Unikernel，接下来将介绍下目前比较成气候的 Unikernel 项目，Unikernel 的实现大部分都是语言特定的。因为涉及到具体语言的运行时，所以很难有一个项目可以适配所有的技术栈。

MirageOS 应该是名气最大的一个 Unikernel 项目，它是使用 OCaml 进行开发的，也是要求开发者懂 OCaml 才行。与其他 Unikernel 相比，它非常成熟，而且有一些论文，对钟爱论文的同学非常友好。

HaLVM 也是一个比较早的 Unikernel 项目，它可以帮助 Haskell 程序员们把自己的 Haskell 程序构建成 Unikernel。如果你不会 Haskell，那就算了 =。=

ClickOS 是一个比较独特的项目，他也非常古老了，但是原本 Click 并不是以 ClickOS 的形式出现的，原本它只是一个支持定制的 router，后来就变成了 ClickOS，一个基于 Unikernel 的 router。它也有很多论文，大部分都是关于 Click 本身，而不是 Unikernel 实现的。

Rumprun 也是一个非常独特的项目，其利用了 Rump Kernel，理论上 POSIX 兼容的程序，都可以用 Rumprun 来构建成 Unikernel。

如果这些还不能满足你的好奇心，Open source work on unikernels 上列出了众多的 Unikernel 项目，如有需要还请自行浏览。

Unikernel, Docker，Hyper 与 Linuxkit

对 Unikernel 的介绍就是这些了，最后再谈谈自己对目前很火的一些概念的看法，以及它们之间的联系。

Unikernel，在我看来，是另一种形式上的容器。在一个 Unikernel 中，只能运行一个应用，这与容器的哲学不谋而合。但现在容器最吸引人的特性并不是它的便捷，而是在它的分发。Docker 让我们看到了，原来应用的分发可以这么无痛。而 Unikernel 与容器相比，虽然可以做的更小更安全，而且也不需要有 Docker Daemon 这样的后台程序存在，甚至不需要 Host OS，或者 Hypervisor，但是它一是与传统的软件过程有较大的出入，二是在分发等等方面不能做到像容器那样方便。所以它目前肯定不会成为主流的应用分发方式，还需要进一步探索。

为了能够让 Unikernel 尽快进入生产环境，有一项工作很值得关注。

在 Unikernel 里运行一个 Docker Container，想法很美好，但是同样也有很多问题。这样其实并没有利用到容器便于分发的优势，也没有完全发挥 Unikernel 的优势，我觉得这不是未来。不过作为一种折中方案值得一看，可惜从 DockerCon 15 之后就没听见什么动静了。

Hyper Container 的技术特别独特，之前在 Docker 与 Hyper 一文中介绍过，这里不再多说。他们的实现很完整，有对标 runc 的 runv，有扩展 Kubernetes 中 container runtime 的 frakti，虽然我没有尝试过，但是我觉得是比 Docker in Unikernel 更加可行的方案，讲道理很有前途。

Linuxkit 是 Docker 改名 Moby 后随之发布的一个项目。Linuxkit 严格来说是一个构建操作系统的工具集，可以用来构建 Unikernel，但是也可以用来构建最小化的 Linux Kernel，目前还不知道要往什么方向发展。

这些概念或多或少都有相互重叠的部分，也没有谁一定胜过谁的说法，但都有一个特点：有趣。它们都有自己不同的应用场景，本来嘛，Docker 也不是银弹。

PS：本文都是纸上谈兵，作者本人并无对 Unikernel 在生产环境中的使用经验（应该暂时也没有人有），大家看看就好，如有疏漏还请不吝指教:)

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