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命名空间（Namespace）是 Linux 内核的一个强大特性，为容器提供了隔离的运行环境。
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### 什么是 Namespace
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> **Namespace 是 Linux 内核提供的资源隔离机制，它让容器内的进程仿佛运行在独立的操作系统中。**
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Namespace 是容器技术的核心基础之一。它回答了一个关键问题：**如何让一个进程"以为"自己独占整个系统？**
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```
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宿主机视角： 容器内视角：
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┌─────────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
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│ PID 1: systemd │ │ PID 1: nginx │ ← 容器认为自己是 PID 1
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│ PID 2: sshd │ │ PID 2: nginx worker │
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│ PID 3: dockerd │ │ │
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│ PID 1234: nginx ←──────│─────│ （实际是宿主机的 1234） │
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│ PID 1235: nginx worker │ │ │
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└─────────────────────────┘ └─────────────────────────┘
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```
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### Namespace 的类型
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Linux 内核提供了以下几种 Namespace，Docker 容器使用了全部：
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| Namespace | 隔离内容 | 容器中的效果 |
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|-----------|---------|-------------|
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| **PID** | 进程 ID | 容器内 PID 从 1 开始，看不到其他容器和宿主机进程 |
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| **NET** | 网络栈 | 独立的网卡、IP 地址、端口、路由表 |
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| **MNT** | 挂载点 | 独立的文件系统视图，自己的根目录 |
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| **UTS** | 主机名 | 独立的主机名和域名 |
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| **IPC** | 进程间通信 | 独立的信号量、消息队列、共享内存 |
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| **USER** | 用户/组 ID | 容器内的 root 可以映射为宿主机的普通用户 |
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| **Cgroup** | Cgroup 根目录 | 隔离 cgroup 层级视图（Linux 4.6+） |
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### PID Namespace
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PID Namespace 负责进程 ID 的隔离，使得容器内的进程彼此不可见。
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#### PID 的作用
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隔离进程 ID，让每个容器有自己的进程编号空间。
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#### PID 隔离效果
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运行以下命令：
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```bash
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## 宿主机上查看进程
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$ ps aux | grep nginx
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root 12345 0.0 0.1 nginx: master process
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root 12346 0.0 0.1 nginx: worker process
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## 容器内查看进程
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$ docker exec mycontainer ps aux
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PID USER COMMAND
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1 root nginx: master process ← 在容器内是 PID 1
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2 root nginx: worker process
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```
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#### PID 关键点
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- 容器内的 PID 1 进程特殊重要——它是容器的主进程，退出则容器停止
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- 容器内无法看到宿主机或其他容器的进程
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- 宿主机可以看到所有容器内的进程（但 PID 不同）
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### NET Namespace
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NET Namespace 负责网络栈的隔离，包括网卡、路由表和 iptables 规则等。
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#### NET 的作用
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隔离网络栈，每个容器拥有独立的网络环境。
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#### NET 隔离效果
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```
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宿主机 容器
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┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────┐
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│ eth0: 192.168.1.10 │ │ eth0: 172.17.0.2 │ ← 不同的 IP
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│ docker0: 172.17.0.1│◄───────►│ (veth pair 连接) │
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│ 端口 80 可用 │ │ 端口 80 可用 │ ← 可以使用相同端口
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└─────────────────────┘ └─────────────────────┘
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```
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#### NET 关键点
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- 每个容器有独立的网卡、IP、路由表、iptables 规则
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- 多个容器可以监听相同端口（如都监听 80）
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- Docker 使用 veth pair 连接容器网络和宿主机网桥
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### MNT Namespace
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MNT Namespace 负责文件系统挂载点的隔离，确保容器看到独立的文件系统视图。
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#### MNT 的作用
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隔离文件系统挂载点，每个容器有自己的根目录。
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#### MNT 隔离效果
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```
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宿主机文件系统： 容器内看到的：
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/ / ← 容器的根目录
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├── bin/ ├── bin/
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├── home/ ├── home/
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├── var/ ├── var/
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│ └── lib/ │ └── lib/
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│ └── docker/ │
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│ └── overlay2/ │
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│ └── merged/ ────┼─── 这个目录成为容器的 /
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└── ... └── ...
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#### 与 chroot 的区别
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| 特性 | chroot | MNT Namespace |
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|------|--------|---------------|
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| 安全性 | 可以逃逸 | 更安全 |
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| 挂载隔离 | 无 | 完全隔离 |
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| /proc/mounts | 共享 | 独立 |
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### UTS Namespace
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UTS Namespace 主要用于隔离主机名和域名。
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#### UTS 的作用
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隔离主机名和域名，让每个容器可以有自己的主机名。
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#### UTS 隔离效果
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运行以下命令：
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```bash
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## 宿主机
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$ hostname
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my-server
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## 容器内
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$ docker run --hostname mycontainer ubuntu hostname
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mycontainer
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```
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UTS = "UNIX Time-sharing System"，是历史遗留的名称。
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### IPC Namespace
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IPC Namespace 用于隔离进程间通信资源，如 System V IPC 和 POSIX 消息队列。
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#### IPC 的作用
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隔离 System V IPC 和 POSIX 消息队列。
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#### 隔离的资源
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- 信号量（semaphores）
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- 消息队列（message queues）
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- 共享内存（shared memory）
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#### IPC 关键点
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- 同一容器内的进程可以通过 IPC 通信
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- 不同容器的进程无法通过 IPC 通信（除非显式共享）
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### USER Namespace
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USER Namespace 允许将容器内的用户 ID 映射到宿主机的不同用户 ID。
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#### USER 的作用
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隔离用户和组 ID，实现权限隔离。
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#### USER 隔离效果
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```
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容器内 宿主机
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┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
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│ UID 0 (root) │───映射────►│ UID 100000 │ ← 非特权用户
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│ UID 1 (daemon) │───映射────►│ UID 100001 │
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└─────────────────┘ └─────────────────┘
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```
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#### 安全意义
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容器内的 root 用户可以映射为宿主机上的普通用户，即使容器被突破，攻击者在宿主机上也只有普通权限。
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> 💡 笔者建议：生产环境建议启用 User Namespace，增强安全性。
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### 动手实验：体验 Namespace
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使用 `unshare` 命令可以在不使用 Docker 的情况下体验 Namespace：
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#### 实验 1：UTS Namespace
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运行以下命令：
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```bash
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## 创建新的 UTS namespace 并启动 shell
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$ sudo unshare --uts /bin/bash
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## 修改主机名（只影响这个 namespace）
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$ hostname container-test
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$ hostname
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container-test
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## 退出后查看宿主机主机名（未改变）
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$ exit
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$ hostname
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my-server
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```
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#### 实验 2：PID Namespace
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运行以下命令：
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```bash
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## 创建新的 PID 和 MNT namespace
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$ sudo unshare --pid --mount --fork /bin/bash
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## 挂载新的 /proc
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$ mount -t proc proc /proc
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## 查看进程（只能看到当前 shell）
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$ ps aux
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USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
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root 1 0.0 0.0 8960 4516 pts/0 S 10:00 0:00 /bin/bash
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root 8 0.0 0.0 10072 3200 pts/0 R+ 10:00 0:00 ps aux
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```
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#### 实验 3：NET Namespace
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运行以下命令：
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```bash
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## 创建新的网络 namespace
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$ sudo unshare --net /bin/bash
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## 查看网络接口（只有 lo）
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$ ip addr
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1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN
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link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
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```
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### Namespace 的局限性
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Namespace 提供了隔离但不是安全边界：
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| 方面 | 说明 |
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|------|------|
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| **共享内核** | 所有容器共享宿主机内核，内核漏洞可能影响所有容器 |
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| **部分资源未隔离** | /proc、/sys 部分内容仍可见；时间无法隔离 |
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| **非虚拟化** | 比虚拟机隔离性弱 |
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> 需要更强隔离时，可考虑 gVisor、Kata Containers 等安全容器方案。
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### 本章小结
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| Namespace | 隔离内容 | 一句话说明 |
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|-----------|---------|-----------|
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| PID | 进程 ID | 容器有自己的进程树 |
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| NET | 网络 | 容器有自己的 IP 和端口 |
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| MNT | 文件系统 | 容器有自己的根目录 |
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| UTS | 主机名 | 容器有自己的 hostname |
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| IPC | 进程间通信 | 容器间 IPC 隔离 |
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| USER | 用户 ID | 容器 root ≠ 宿主机 root |
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### 延伸阅读
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- [控制组（Cgroups）](14.3_cgroups.md)：资源限制机制
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||
- [联合文件系统](14.4_ufs.md)：分层存储的实现
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||
- [安全](../11_ops/security/README.md)：容器安全实践
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||
- [Linux Namespace 官方文档](https://man7.org/linux/man-pages/man7/namespaces.7.html)
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