【ITニュース解説】How Containers Work: Building a Docker-like Container From Scratch

「How Containers Work: Building a Docker-like Container From Scratch」という記事は、現代のITインフラに不可欠な技術であるコンテナが、一体どのようにして動いているのか、その核心に迫る内容だ。Dockerのような便利なツールが裏側で何をしているのかを深く理解するため、Linuxの基本的な機能を組み合わせて自分自身でシンプルなコンテナを構築する手順を解説している。

コンテナ技術は、アプリケーションとその実行に必要なすべての要素（コード、ランタイム、システムツール、ライブラリ、設定など）を一つにまとめ、どこでも同じように動作させることを可能にする。従来の仮想マシン（VM）がOS全体をエミュレートするのに対し、コンテナはホストOSのカーネルを共有し、その上でアプリケーションを分離された環境で実行する。これにより、起動が高速で、リソース消費も少ないというメリットがある。開発環境と本番環境の間に発生しがちな「私の環境では動いたのに」という問題を解消し、ソフトウェアのデプロイと運用を効率化する。

コンテナの実現には、Linuxカーネルが提供する二つの重要な機能が使われている。一つは「名前空間（Namespaces）」、もう一つは「コントロールグループ（cgroups）」だ。

名前空間は、プロセス、ネットワーク、ファイルシステムなど、特定のシステムリソースを他のプロセスから隔離するために使われる。これにより、コンテナ内部のプロセスは、まるで自分たちだけがシステムを使っているかのように錯覚する。 具体的には、次のような名前空間がある。「プロセスID（PID）名前空間」は、コンテナごとに独自のプロセスツリーを持たせる。コンテナ内の最初のプロセスがPID 1となり、ホストOSや他のコンテナのプロセスが見えないようになっている。「マウント（Mount）名前空間」は、各コンテナが独自のファイルシステムツリーを持つことを可能にする。これにより、コンテナは独自のルートディレクトリを持ち、ホストOSや他のコンテナのファイルシステムに直接アクセスできない。「ネットワーク（Network）名前空間」は、各コンテナに独立したネットワークスタック、つまり独自のネットワークインターフェース、IPアドレス、ルーティングテーブルを持たせる。これにより、コンテナはそれぞれ独立したネットワーク設定で通信できるようになる。他にも、「UTS（UNIX Time-sharing System）名前空間」はホスト名やドメイン名をコンテナごとに分離し、「IPC（Inter-Process Communication）名前空間」はプロセス間通信のメカニズムを隔離する。「ユーザー（User）名前空間」は、コンテナ内のルートユーザーがホストOSでは権限の低いユーザーとして扱われるようにし、セキュリティを強化する。これらの名前空間が組み合わさることで、コンテナはホストOSから論理的に隔離され、自己完結型の実行環境が構築される。

もう一つの重要な機能であるコントロールグループ（cgroups）は、コンテナが利用できるCPU、メモリ、ディスクI/O、ネットワーク帯域などのシステムリソースを制限・管理するために使われる。例えば、あるコンテナがCPUを使いすぎて他のコンテナの動作に影響を与えたり、メモリを大量に消費してホストOS全体の安定性を損なったりしないよう、それぞれのコンテナに割り当てるリソースの上限を設定できる。これにより、複数のコンテナが同じホスト上で安定して動作することを保証し、リソースの公平な分配を実現する。

コンテナが動作するために不可欠なのが、その「ルートファイルシステム」だ。各コンテナは、その中で実行されるアプリケーションが必要とするファイルやディレクトリ構造をすべて含む、独立したファイルシステムを持つ。これは通常、chroot（チェンジルート）というコマンドを使って、コンテナのルートディレクトリを特定のディレクトリに切り替えることで実現される。これにより、コンテナ内のプロセスはそのディレクトリ以下しか見ることができなくなり、ホストOSの他の部分からは隔離される。

効率性を高めるために、「Copy-on-Write（CoW）」という技術も使われる。これは、複数のコンテナが同じベースイメージを共有し、各コンテナがそのイメージに加えた変更のみを個別に保存する仕組みだ。これにより、ディスクスペースの節約とイメージの高速な配布が可能になる。OverlayFSのようなファイルシステムがこのCoWを実現するために利用されることが多い。

記事では、これらのLinuxの基本機能を使って、実際にゼロからコンテナを構築する具体的なプロセスを追っていく。その手順は、まずunshareコマンドを使って新しい名前空間を作成し、その後chrootでコンテナのルートファイルシステムを設定する。次に、仮想ネットワークインターフェースを作成してコンテナに割り当て、ホストOSのネットワークスタックと接続することで、コンテナが外部と通信できるようにする。最後に、隔離された環境でアプリケーションプロセスを起動し、cgroupsを設定してリソースを制限する。このようにして、まるで独立した小さなコンピュータが動作しているかのようなコンテナ環境が手作業で構築されるのだ。

Dockerは、これらの複雑なLinuxカーネル機能を、ユーザーが簡単に扱えるように抽象化し、イメージのビルド、配布、実行、そしてコンテナのオーケストレーションといった便利な機能を提供している。つまり、Dockerが提供するコンテナという強力なツールは、その裏側で名前空間、cgroups、chroot、CoWといったLinuxカーネルの基本的な機能が組み合わさって実現されている。この記事で解説されている内容は、Dockerを始めとするコンテナ技術がどのように動作しているのか、その根幹を理解するための貴重な洞察を与えてくれる。システムエンジニアを目指す者にとって、このような基盤技術の理解は、問題解決能力を高め、より堅牢で効率的なシステムを設計・構築するために不可欠な知識となるだろう。