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pivot_root：原理、用途及最简单 Demo

news 来源：原创 2025/4/21 7:19:35

什么是 pivot_root

pivot_root 是 Linux 系统中的一个系统调用（和对应的命令行工具），用于更改进程的根文件系统。与 chroot 类似，pivot_root 将一个指定目录设置为进程的新根目录（/），但它比 chroot 更灵活，特别适合容器环境。它的核心功能是将当前根文件系统（旧根）移动到另一个位置，并将新目录设置为根文件系统。

主要特点

交换根文件系统：
- pivot_root 将一个新目录设置为进程的根（/），并将旧根移动到指定位置（通常是一个子目录）。
- 例如，pivot_root(new_root, put_old) 将 new_root 设置为新根，旧根挂载到 put_old。
挂载点隔离：
- 与 chroot 不同，pivot_root 要求新根和旧根是独立的挂载点，通常需要 Mount Namespace 支持。
- 它可以完全隔离旧根的挂载点，防止进程访问主机文件系统。
容器初始化：
- pivot_root 是容器运行时（如 Docker、containerd）的标准工具，用于将容器镜像的根文件系统设置为容器进程的根。

主要用途

容器根文件系统切换：在容器启动时，将镜像的根文件系统（例如 /var/lib/docker/...）设置为容器的新根，隔离主机文件系统。
强隔离环境：比 chroot 提供更彻底的隔离，防止进程通过挂载点逃逸。
系统初始化：在 Linux 启动过程中（initramfs），将临时根切换到真实根文件系统。
测试和开发：为进程提供独立的根文件系统，测试特定环境。

与 chroot 的区别

隔离程度：
- chroot 仅更改根目录，进程仍可能看到主机挂载点（如 /proc、/dev）。
- pivot_root 要求新根是独立挂载点，旧根被移动到新位置，提供更强的隔离。
使用场景：
- chroot 适合简单隔离（如测试或修复）。
- pivot_root 适合容器，需配合 Mount Namespace。
要求：
- chroot 直接作用于目录。
- pivot_root 需要新根和旧根是挂载点，且进程在 Mount Namespace 中。

与 Mount Namespace 的关系

你的前文提到 Mount Namespace 和 nsenter 的问题（在 Mount Namespace 中挂载 tmpfs 到 /tmp/mnt，但看到主机目录的其他文件）。pivot_root 常与 Mount Namespace 结合使用：

Mount Namespace 提供独立的挂载点视图，确保新根挂载（如 tmpfs 或容器镜像）仅在命名空间内可见。
pivot_root 将新根设置为进程的根目录，隔离主机文件系统。
结合 nsenter，可以进入 Mount Namespace 验证 pivot_root 的隔离效果。

pivot_root 最简单 Demo

以下是一个最简单的 pivot_root 示例，展示如何在 Mount Namespace 中使用 pivot_root 切换根文件系统，确保隔离主机文件系统。我们将：

创建一个新目录作为新根。
使用 Mount Namespace 和 tmpfs 模拟容器根文件系统。
通过 pivot_root 切换根，并验证隔离。
使用 nsenter 进入 Mount Namespace 检查结果。

环境要求

Linux 系统（支持 pivot_root 和 Mount Namespace，例如 Ubuntu、CentOS）
unshare 和 nsenter 命令（util-linux 包）
root 权限（pivot_root 和挂载需要管理员权限）
bash 和必要库（用于新根环境）

步骤

清理旧环境：
确保 /tmp/mnt 干净，清理旧进程（基于你的 ps aux 输出，PID 15375 和 15376）：

sudo umount /tmp/mnt 2>/dev/null
sudo rm -rf /tmp/mnt
sudo mkdir -p /tmp/mnt

验证进程已清理：

ps aux | grep '[u]nshare --mount'

预期输出为空。

创建新根目录：
创建一个新根文件系统，包含 bash 和必要库：

sudo mkdir -p /tmp/mnt/bin /tmp/mnt/lib /tmp/mnt/lib64 /tmp/mnt/old_root
sudo cp /bin/bash /tmp/mnt/bin/

复制 bash 依赖库（检查 ldd /bin/bash 输出）：

ldd /bin/bash

输出示例：

linux-vdso.so.1 (0x00007fffc8bff000)
libtinfo.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libtinfo.so.6 (0x00007f0c6c5c9000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f0c6c3c7000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f0c6c628000)

复制库：

sudo cp /lib/x86_64-linux-gnu/libtinfo.so.6 /tmp/mnt/lib/
sudo cp /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 /tmp/mnt/lib/
sudo cp /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /tmp/mnt/lib64/

启动 Mount Namespace 并挂载新根：

sudo unshare --mount /bin/bash

在新的 bash shell 中，设置挂载隔离并挂载新根：

mount --make-rprivate -o rec /
mount --bind /tmp/mnt /tmp/mnt
echo "Hello from Mount Namespace!" > /tmp/mnt/testfile
ls /tmp/mnt

输出：

bin  lib  lib64  old_root  testfile

说明：

mount --bind /tmp/mnt /tmp/mnt 使 /tmp/mnt 成为独立挂载点，满足 pivot_root 的要求。
old_root 是旧根的存放目录。

执行 pivot_root：
切换根文件系统，将 /tmp/mnt 设为新根，旧根移到 /tmp/mnt/old_root：

cd /tmp/mnt
pivot_root . old_root

修复环境：
pivot_root 后，/bin/bash 仍在旧根中，需更新路径：

export PATH=/bin

验证新根：

ls /

输出：

bin  lib  lib64  old_root  testfile

尝试访问旧根：

ls /old_root

输出示例：

bin  boot  dev  etc  home  lib  lib64  media  mnt  opt  proc  root  run  sbin  srv  sys  tmp  usr  var

隔离验证：
尝试访问主机 /tmp：

ls /old_root/tmp

输出显示主机 /tmp 的内容，但新根（/）只包含 /tmp/mnt 的内容，表明隔离成功。

验证全局命名空间隔离：

保持 unshare shell 运行，打开另一个终端：

ls /tmp/mnt

输出：

bin  lib  lib64  old_root

全局命名空间看不到 testfile，因为它仅在 Mount Namespace 中创建。

使用 nsenter 进入 Mount Namespace：
在另一个终端，查找 PID：

ps aux | grep '[u]nshare --mount'

输出示例：

root     16000  0.0  0.1  16732  7040 pts/0    S+   09:00   0:00 sudo unshare --mount /bin/bash

进入 Mount Namespace：

sudo nsenter --mount=/proc/16000/ns/mnt /bin/bash

验证新根：

ls /tmp/mnt

输出：

bin  lib  lib64  old_root  testfile

注意：如果 pivot_root 已执行，/tmp/mnt 是旧路径，可能不可见。直接检查新根：

ls /

输出：

bin  lib  lib64  old_root  testfile

退出并清理：

在 nsenter shell：

exit

在 unshare shell：

umount old_root
umount /tmp/mnt
exit

sudo rm -rf /tmp/mnt

解决主机文件可见问题

在 Mount Namespace 中挂载 tmpfs 到 /tmp/mnt 后，通过 nsenter 进入仍看到主机目录的其他文件。pivot_root 可以解决此问题，因为它完全替换根文件系统，隔离主机文件系统。关键点：

Mount Namespace 隔离：mount --make-rprivate 确保挂载不传播。
pivot_root 切换：将 /tmp/mnt 设为新根，旧根移到 old_root，防止主机文件（如 /tmp/mnt 的其他文件）可见。
nsenter 验证：进入 Mount Namespace 检查新根只包含预期内容（如 testfile）。

如果仍看到主机文件，检查：

是否正确执行 pivot_root（需要 cd /tmp/mnt 和挂载点）。
/tmp/mnt 是否干净（步骤 1）。
PID 是否正确（步骤 6）。

注意事项

权限：pivot_root、unshare 和 nsenter 需要 root 权限。
挂载点要求：pivot_root 要求新根和旧根是独立挂载点，使用 mount --bind 创建。
依赖完整性：新根需包含必要文件（如 bash 和库），否则报错。
清理：实验完成后，卸载挂载点并删除临时目录。
与 chroot 对比：pivot_root 提供更强隔离，适合容器场景。

总结

pivot_root 是一种强大的根文件系统切换工具，通过将新目录设为根并移动旧根，实现比 chroot 更彻底的隔离，常用于容器初始化。结合 Mount Namespace 和 nsenter，可以确保隔离主机文件系统，解决你在 Mount Namespace 中看到主机目录其他文件的问题。本文通过一个简单 Demo 展示了 pivot_root 的使用，确保新根只包含预期内容（如 testfile）。如果你在执行 pivot_root 时遇到问题（如报错或仍看到主机文件），请提供以下信息，我可以进一步协助：