容器 vs 虚拟机

2.1 虚拟机

虚拟化的概念早在20世纪60年代就出现了，当时IBM为其主机开发了虚拟机。这使得计算机资源的使用更加高效，同时隔离了工作负载。从那时起，虚拟化得到了发展，现在已经成为IT基础设施的重要组成部分。

虚拟机（VM）是 物理计算机的一个软件模拟。它允许运行操作系统和应用程序，就像它们在单独的物理服务器上运行一样。VM的主要组成部分是：Hypervisor、客户操作系统和应用程序。

Hypervisor 是一种用于管理虚拟机并在它们之间分配资源的软件。有两种类型的Hypervisor：

• 类型 1 (bare-metal): 直接安装在硬件上。性能高，开销低。示例：VMware ESXi、Microsoft Hyper-V。
• 类型 2 (hosted): 运行在主机操作系统之上，使其更灵活但性能较低。示例：Oracle VirtualBox、VMware Workstation。

客户操作系统：每个虚拟机包含一个完整的操作系统，它运行在Hypervisor之上。这允许在同一物理服务器上使用不同的操作系统。

应用程序：应用程序及其依赖项安装在客户操作系统内，从而确保隔离和独立性。

优点:

• 隔离性：虚拟机完全隔离，因为每个VM都有自己的操作系统和资源。这可以防止一个应用程序影响另一个应用程序。
• 兼容性：虚拟机支持任何操作系统，包括同一个操作系统的不同版本，提供了使用的灵活性。
• 安全性：高水平的隔离让VM更加安全——一个VM的漏洞不会轻易影响其他VM。

缺点:

资源密集：每个虚拟机需要大量资源，因为它包含一个完整的操作系统。这增加了对内存和磁盘空间的要求。

启动速度：虚拟机的启动和停止比较慢，因为需要加载和关闭操作系统。

管理复杂度：管理大量的VM可能会很复杂且费时，尤其是在大型的基础设施中。

2.2 容器

容器化这个概念已经存在了几十年，但随着2013年Docker的出现，它的普及才迅速增长。Docker简化了容器的使用，使它们对大多数开发人员和系统管理员都变得容易上手。

容器与虚拟机的不同之处在于它们使用主机操作系统的内核，并在进程级别提供隔离。通过它们可以在隔离的环境中运行应用程序及其依赖项，而无需安装单独的操作系统。

• 主机操作系统：容器利用主机操作系统的内核，从而节省资源并减少开销。
• 容器：每个容器都包含应用程序及其所有依赖项，但不包含单独的操作系统。容器的隔离性通过 namespaces 和 cgroups 技术来实现，这些技术限制了对资源的访问并分离了进程。
• Namespaces：Linux内核的机制，为进程创建隔离的环境，同时隐藏来自其他容器的进程、文件系统、网络接口和其他资源。
• Cgroups：一种资源管理技术，可控制容器对CPU、内存、磁盘I/O等资源的使用量，防止其过度消耗。

优点：

• 轻量级：由于容器不需要安装单独的操作系统，因此使用的资源更少。在同一台物理服务器上可以运行比虚拟机更多的容器。
• 快速启动：容器启动和停止的速度显著快于虚拟机，因为不需要加载和关闭操作系统。
• 可移植性：容器很容易在不同环境之间迁移，因为它们包含了应用程序运行所需的所有依赖项。可以创建统一的镜像，在不同平台上无需修改即可运行。

缺点：

• 隔离性：相比虚拟机，容器的隔离性较弱，因为它们使用的是主机操作系统的共享内核。如果容器中的应用程序被攻击，这可能会造成潜在的漏洞。
• 兼容性：容器需要与主机操作系统兼容，这可能会限制它们在某些场景中的使用。

2.3 容器和虚拟机的比较

资源消耗:

• 容器: 需要更少的资源，并且更高效地利用内存和CPU。同一台物理服务器上可以运行更多的容器，这使得它们在扩展时更加经济实惠。
• 虚拟机: 消耗更多资源，因为需要一个完整的操作系统。每个虚拟机占用大量的内存和磁盘空间，这限制了同一服务器上虚拟机的数量。

速度:

• 容器: 启动和停止只需几秒，非常适合需要快速响应和扩展的任务。
• 虚拟机: 启动和停止需要更多时间，因为操作系统需要加载。虚拟机的启动可能需要几分钟，这限制了它们在动态环境中的应用。

隔离性:

• 容器: 提供进程级别的隔离。隔离程度低于虚拟机，但对于大多数应用来说已经足够。不适用于需要完全隔离和最高安全性任务。
• 虚拟机: 提供操作系统级别的完全隔离。高水平的保护使其成为关键应用和数据的最佳选择。

管理和扩展性:

• 容器: 由于其轻量化和快速启动，管理和扩展非常简单。像 Kubernetes 这样的编排工具简化了大规模容器集群的管理。
• 虚拟机: 由于高资源消耗，管理和扩展更加复杂。管理大量虚拟机在动态环境中需要更多的努力。

在容器和虚拟机之间的选择取决于具体任务。容器最适合要求快速部署和扩展应用的场景，同时资源消耗最小。其可移植性和轻量化使得容器成为微服务架构和云计算的绝佳选择。

虚拟机提供更好的隔离性和兼容性，非常适合需要高安全性和独立性的复杂关键应用。在需要每个工作负载都有一个完整操作系统的多层应用和基础设施部署中，它们是不可替代的。

实践中，很多组织采用混合方法，结合使用容器和虚拟机，以在性能、灵活性和安全性之间找到最佳平衡。