Docker——Docker 镜像原理

Posted 2021-07-20 Pakho`

Docker镜像原理

• Docker镜像
• • 镜像是什么？
  • Docker镜像加载原理
  • 分层理解
• Commit镜像
• • Docker镜像(Images)总结

Docker镜像

镜像是什么？

• 镜像是一种轻量级、可执行的独立软件包，用来打包软件运行环境和基于运行环境开发的软件，它包含运行某个软件所需的所有内容，包括代码、运行时、库、环境变量和配置文件。
• 所有的应用，直接打包docker镜像，就可以直接跑起来!
• 如何得到镜像？
  • 远程仓库下载
  • 朋友拷贝
  • 自己制作一个镜像 DockerFile

Docker镜像加载原理

UnionFS（联合文件系统）

• UnionFS (联合文件系统） :Union文件系统(UnionFS)是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统，它支持对文件系统的修改作为一次提交来一层层的叠加，同时可以将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下(unite several directories into a single virtualfilesystem)。Union文件系统是Docker镜像的基础。镜像可以通过分层来进行继承，基于基础镜像（没有父镜像），可以制作各种具体的应用镜像。
• 特性:一次同时加载多个文件系统，但从外面看起来，只能看到一个文件系统，联合加载会把各层文件系统叠加起来，这样最终的文件系统会包含所有底层的文件和目录

Docker镜像加载原理

• docker的镜像实际上由一层一层的文件系统组成，这种层级的文件系统UnionFS。
• bootfs(boot file system)主要包含bootloader和kernel, bootloader主要是引导加载kernel, Linux刚启动时会加载bootfs文件系统，在Docker镜像的最底层是boots。这一层与我们典型的Linux/Unix系统是一样的，包含boot加载器和内核。当boot加载完成之后整个内核就都在内存中了，此时内存的使用权已由bootfs转交给内核，此时系统也会卸载bootfs。
• roots (root fle system)，在bootfs之上。包含的就是典型Linux系统中的/dev,/proc, /bin, /etc等标准目录和文件。rootfs就是各种不同的操作系统发行版，比如Ubuntu ,Centos等等。
  
• 平时我们安装虚拟机的CentOS都是好几个G，为什么Docker才200M？
  
• 对于一个精简的OS，rootfs 可以很小，只需要包含最基本的命令，工具和程序库就可以了，因为底层直接用Host的kernel自己只需要提供roots就可以了。由此可见对于不同的linux发行版, bootfs基本是一致的, rootfs会有差别,因此不同的发行版可以公用bootfs。
• 虚拟机是分钟级别，容器是秒级!

分层理解

• Docker的分层思想
• 一层一层下载，逐层检测，存在即跳过，否则下载

[root@docker ~]# docker pull redis 
Using default tag: latest
latest: Pulling from library/redis
69692152171a: Already exists 
a4a46f2fd7e0: Pull complete 
bcdf6fddc3bd: Pull complete 
2902e41faefa: Pull complete 
df3e1d63cdb1: Pull complete 
fa57f005a60d: Pull complete 
Digest: sha256:7e2c6181ad5c425443b56c7c73a9cd6df24a122345847d1ea9bb86a5afc76325
Status: Downloaded newer image for redis:latest
docker.io/library/redis:latest

• 为什么Docker镜像要采用这种分层的结构呢?
• 最大的好处，我觉得莫过于是资源共享了!比如有多个镜像都从相同的Base镜像构建而来，那么宿主机只需在磁盘上保留一份base镜像，同时内存中也只需要加载一份base镜像，这样就可以为所有的容器服务了，而且镜像的每一层都可以被共享。
• 查看镜像分层的方式可以通过docker image inspect +容器命令!
• 观察Layers（层）

• 理解分层的含义
  • 所有的Docker镜像都起始于一个基础镜像层，当进行修改或增加新的内容时，就会在当前镜像层之上，创建新的镜像层
  • 举一个简单的例子，假如基于Ubuntu Linux 16.04创建一个新的镜像，这就是新镜像的第一层;如果在该镜像中添加Python包，就会在基础镜像层之上创建第二个镜像层;如果继续添加一个安全补丁，就会创建第三个镜像层。
  • 该镜像当前已经包含3个镜像层，如下图所示（这只是一个用于演示的很简单的例子)。
    
• 在添加额外的镜像层的同时，镜像始终保持是当前所有镜像的组合，理解这一点非常重要。下图中举了一个简单的例子，每个镜像层包含3个文件，而镜像包含了来自两个镜像层的6个文件。
  
• 上图中的镜像层跟之前图中的略有区别，主要目的是便于展示文件。
• 下图中展示了一个稍微复杂的三层镜像，在外部看来整个镜像只有6个文件，这是因为最上层中的文件7是文件5的一个更新版本。
  
• 这种情况下，上层镜像层中的文件覆盖了底层镜像层中的文件。这样就使得文件的更新版本作为一个新镜像层添加到镜像当中。
• Docker通过存储引擎（新版本采用快照机制)的方式来实现镜像层堆栈，并保证多镜像层对外展示为统一的文件系统。
• Linux上可用的存储引擎有AUFS、Overlay2、Device Mapper、Btrfs以及ZFS。顾名思义，每种存储引擎都基于Linux中对应的文件系统或者块设备技术，并且每种存储引擎都有其独有的性能特点。
• Docker在Windows上仅支持windowsfilter一种存储引擎，该引擎基于NTFS文件系统之上实现了分层和CoW[1].
• 下图展示了与系统显示相同的三层镜像。所有镜像层堆叠并合并，对外提供统一的视图。
  
• 分层下载的好处
  • 假设有些应用的层是相同的，就可以直接复用！
• 特点
  • Docker镜像都是只读的，当容器启动时，一个新的可写层被加载到镜像的顶部！
  • 这一层就是我们通常说的容器层(run)，容器之下的都叫镜像层(远程pull)！
  • 所有操作都是基于容器层
    

Commit镜像

• 如何提交一个自己的镜像？
• Docker commit

docker commit 提交容器成为一个新的副本

docker commit -m="提交的描述信息" -a="作者" 容器id 目标镜像名:[TAG]

#运行一个默认的tomcat镜像
[root@docker ~]# docker run -it -p 8080:8080  tomcat

[root@docker ~]# docker ps
CONTAINER ID   IMAGE     COMMAND             CREATED          STATUS          PORTS                                       NAMES
792ca37197e8   tomcat    "catalina.sh run"   34 seconds ago   Up 32 seconds   0.0.0.0:8080->8080/tcp, :::8080->8080/tcp   upbeat_mcnulty

[root@docker ~]# docker exec -it 792ca37197e8 /bin/bash
#发现这个默认的tomcat 是没有webapps应用,是因为镜像的原因,官方的镜像默认webapps下没有文件,自己拷贝进去基本的文件
root@792ca37197e8:/usr/local/tomcat# cp -r webapps.dist/* webapps

#浏览器访问,测试成功
http://192.168.100.100:8080/

#提交修改后的容器成为一个新的镜像
[root@docker ~]# docker commit -a="pakho" -m="add webapps app" 792ca37197e8 tomcat02:1.0
sha256:d6d429f9d2ba25af8f66bd3e7a7de489cf2219828ea755ce1d0a1a7816c27731

[root@docker ~]# docker images
REPOSITORY            TAG       IMAGE ID       CREATED          SIZE
tomcat02              1.0       d6d429f9d2ba   28 seconds ago   672MB

Docker镜像(Images)总结

• Docker镜像(Images) 的主要特点是，分层、写时复制、内容寻址 和 联合挂载。
• Docker镜像是Docker容器运行的基础，没有Docker镜像，就不可能有Docker容器，这也是Docker的设计原则之一
• 可以理解的是：Docker镜像毕竟是镜像，属于静态的内容；而Docker容器就不一样了，容器属于动态的内容。动态的内容，大家很容易联想到进程，内存，CPU等之类的东西。的确，Docker容器作为动态的内容，都会包含这些
• 为了便于理解，大家可以把Docker容器，理解为一个或多个运行进程，而这些运行进程将占有相应的内存，相应的CPU计算资源，相应的虚拟网络设备以及相应的文件系统资源。而Docker容器所占用的文件系统资源，则通过Docker镜像的镜像层文件来提供