Linux Namespace 是内核提供的轻量级虚拟化技术，通过隔离全局系统资源（如进程树、网络栈、挂载点等）实现进程间的环境隔离。其内核实现原理可分为以下核心模块：

一、Namespace 内核数据结构

1. struct nsproxy
   每个进程通过task_struct->nsproxy关联命名空间代理，包含指向各类型Namespace的指针（如pid_namespace、net_namespace）。进程fork时默认继承父进程的nsproxy，调用unshare()或clone()时创建新Namespace。

struct nsproxy {
  atomic_t count;
  struct uts_namespace *uts_ns;  // UTS隔离
  struct ipc_namespace *ipc_ns;  // IPC隔离
  struct mnt_namespace *mnt_ns;  // 挂载点隔离
  struct pid_namespace *pid_ns;  // PID隔离
  struct net *net_ns;           // 网络隔离
};

2. 各Namespace专属结构体

• PID Namespace：struct pid_namespace 记录进程ID树，子Namespace的PID从1开始独立计数。
• Network Namespace：struct net 包含独立的路由表、防火墙规则、网络设备链表。

二、关键实现机制

1. Namespace创建流程

• 系统调用入口：clone()或unshare()触发copy_namespaces()，根据标志位（如CLONE_NEWPID）创建新Namespace。
• 资源隔离初始化：

网络Namespace调用net_alloc()初始化协议栈

PID Namespace通过create_pid_namespace()重置PID映射表

2. 进程视图隔离

• PID隔离：task_struct->pid存储全局PID，nsproxy->pid_ns转换局部PID。/proc文件系统根据当前进程的Namespace动态显示进程树。
• 网络隔离：sk_buff（网络数据包）发送时检查sk->net_ns，确保仅处理同Namespace的流量。

三、典型Namespace操作示例

1. 创建UTS Namespace并修改主机名

# 创建新UTS Namespace并运行Shell
unshare -u /bin/bash
hostname my-new-hostname  # 修改仅影响当前Namespace

内核行为：unshare()调用copy_utsname()复制原UTS结构体，新修改仅更新当前进程的uts_namespace。

4. 跨Network Namespace通信

# 创建veth设备对并绑定到不同Namespace
ip link add veth0 type veth peer name veth1
ip link set veth1 netns ns1  # 将veth1移到ns1中

内核行为：ip netns通过setns()系统调用修改设备的net_ns指针，实现设备迁移。

四、与Cgroups的协同关系

• 资源隔离互补：Namespace负责环境隔离（如进程树、网络），Cgroups限制资源用量（如CPU、内存）。Docker等容器技术同时使用两者实现完整隔离。
• 安全增强：User Namespace允许普通用户创建受限的Namespace，再通过Cgroups限制资源，避免特权滥用。

五、应用场景与限制

1. 容器化技术：Docker默认启用PID、NET、MNT等Namespace，实现容器内进程的独立视图。
2. 内核限制：部分资源（如系统时间、设备号）尚未完全隔离，需结合SELinux等机制增强安全性。

通过上述机制，Linux内核以极低开销实现了多租户环境下的资源隔离，成为现代容器技术的基石。