嘗試理解Linux容器程序與宿主機共用核心的具體含義

背景

近期接觸容器技術時，經常看到各類比較容器與虛擬機器器區別的文章中會提到：容器是共用宿主機的核心，而虛擬機器器則是擁有自己獨立的核心，所以不可能在Linux上用容器執行windows，但是用虛擬機器器則可以。
乍看下去，覺得Linux上無法執行windows是很自然的結論，然後突然升起一個疑問：Linux上無法執行windows容器，那Debian上可以執行Ubuntu容器嗎？Ubuntu上又能執行CentOS容器嗎？
從自己實際使用上看，Debian上確實有執行CentOS的docker容器，CentOS上確實也有執行Ubuntu的docker容器，那無法執行windows容器卻能執行不同發行版Linux的根本原因是什麼呢？
進一步探究：具體發行版Debian 10.0 Linux上能執行低版本如Debian 9.0的容器嗎？能執行Debian11.0的容器嗎？為什麼？
這些的問題的底層其實都指向共用核心的確切含義，這裡記錄一下思考過程，以下觀點均為個人分析推斷，不一定準確，有疑義的小夥伴歡迎指正、探討。

容器與虛擬機器器的對比

已經有很多文章對容器、虛擬機器器的區別進行了詳細的對比，這裡不再贅述，很多文章對比時都會參照類似如下圖片：

左圖中是在Host OS上執行Hypervisor(虛擬機器器監控器,virtual machine monitor)，在Hypervisor提供的硬體模擬基礎上執行有有多個Guest OS，每個Guest OS均有自己的獨立核心，相當於為GuestOS提供了一個完全模擬的虛擬裸機，GuestOS其實無感知自身是執行在物理機上還是虛擬硬體上。
而右圖中container是作為一個普通程序執行於Host OS上，所有程序共用Host OS的核心，而container的執行、編排則由中間的docker engine實現。

核心究竟是什麼

Linux核心

Linux® 核心是 Linux 作業系統（OS）的主要元件，也是計算機硬體與其程序之間的核心介面。它負責兩者之間的通訊，還要儘可能高效地管理資源。
之所以稱為核心，是因為它在作業系統中就像果實硬殼中的種子一樣，並且控制著硬體（無論是電話、筆記型電腦、伺服器，還是任何其他型別的計算機）的所有主要功能，主要包括記憶體管理、程序管理、裝置驅動程式、系統呼叫和安全防護，單純的linux核心並不算我們傳統意義上說的一個完整作業系統。

系統呼叫 && glibc

那麼核心在整個系統中的具體作用到底是什麼呢？
核心對上層遮蔽了底層硬體操作的細節，對其提供了統一的系統呼叫對硬體進行統一的操作。
但是系統呼叫介面一般比較原始，涉及和作業系統相關的細節，不同作業系統之間的系統呼叫基本完全不同，哪怕同系列的Linux與UNIX都不相同。
基於以上原因，一般應用程式是通過標準的執行庫來使用系統呼叫，執行庫的優點是本身是語言級別的，設計比較友好，標準、形式統一，不會隨著作業系統或編譯器的變化而變化。
Linux上的執行庫即是glibc，其位於使用者程式與系統呼叫之間，如下圖：

Linux發行版與核心的關係

Linux發行版就是一些組織和廠商將Linux核心、各類軟體、庫及檔案組合起來，提供了完整各類常用工具、庫(如gcc、dpkg、yum、glibc等)，打包在一起作為一個完整的發行版作業系統提供給使用者，其關係如下圖：

由於不同發行版使用的都是同一個Linux核心，所以在核心的層面並不存在相容性問題--具體來說對於執行在宿主機上的容器程序分三種情況：

1. 相同核心版本的情況下，不存在相容性問題。
2. 宿主機核心版本高於容器發行版核心版本時，由於高版本核心保證向後相容性(backward compatibility)，一般也可以正常執行。
3. 宿主機核心版本低於容器發行版核心，若容器中使用了低版本核心中不存在的系統呼叫，則無法正常執行。

初步總結

回到文章一開始提出的幾個問題：
Linux上為什麼無法執行windows容器？
因為Linux核心與windows核心完全不是一個東西，windows程式不可能使用Linux核心的系統呼叫與硬體互動。
Debian上可以執行Ubuntu容器嗎？Ubuntu容器又能執行CentOS容器嗎？
根據發行版使用的具體核心版本，其可以基於其宿主機核心執行成功則可以，由於linux核心提供向後相容(backward compatible)，一般來說容器發行版核心<=宿主機核心版本的情況都是可以成功的，而>宿主機核心的情況下可能可以成功。
具體發行版Debian 10.0 Linux上能執行低版本如Debian 9.0的容器嗎？能執行Debian11.0的容器嗎？為什麼？
和上面其實是一個分析思路。

轉載請註明出處，原文地址：https://www.cnblogs.com/AcAc-t/p/linux_container_share_kernel_meaning.html

參考

https://zh.wikipedia.org/zh-cn/Hypervisor
https://cloudacademy.com/blog/docker-vs-virtual-machines-differences-you-should-know/
https://www.redhat.com/zh/topics/linux/what-is-the-linux-kernel
https://book.douban.com/subject/3652388/
https://www.cnblogs.com/blog-yejy/p/9373850.html
https://stackoverflow.com/questions/32756988/what-is-meant-by-shared-kernel-in-docker
https://stackoverflow.com/questions/32841982/how-can-docker-run-distros-with-different-kernels
https://en.wikipedia.org/wiki/Linux_distribution