Docker基础 原理篇

Posted 2021-03-07 zhixin9001

• Docker是什么
• Docker的构成
• Docker的分层和写时拷贝策略
• Docker与主流虚拟机的区别
• Docker镜像与容器的关系
• 镜像的变更管理

Docker是什么

Docker是一个开源的应用容器引擎。它的理念是“Buildonce, Run anywhere, Configure once, Run anything”，这与Java提出的“Write Once, Run Anywhere”有异曲同工之妙。
Java与Docker在面对平台移植方面的问题时，采用了类似的解决方案。Java语言使用虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成可以在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

类似地，Docker使用容器引擎解决平台依赖问题，它在每台宿主机上都启动一个Docker的守护进程，守护进程屏蔽了与具体平台相关的信息，对上层应用提供统一的接口。这样，Docker化的应用，就可以在多个平台下运行，Docker会针对不同的平台，解析给对应的执行驱动、存储驱动和网络驱动去执行。
这里说的平台主要针对不同的Linux发行版，因为Docker的实现需要用到Linux的cgroups、namespaces等特性，所以目前只能运行在Linux环境下，要想在Windows和Mac上使用Docker，则要采用虚拟机的方式。

此外，Docker还有自己的生态圈，从官方镜像仓库下载的镜像，可以运行在任何装有Docker引擎的操作系统上，开发人员也可以将自己制作的镜像提交的官方仓库供别人使用。还可以搭建私有的镜像仓库。这就类似android或ios系统与应用商店的关系。

最后，Docker还具有版本控制功能，可以对镜像做修改后提交新的版本、可以在多个版本间快速切换。

综上，Docker是一个开源的应用容器引擎,它的应用以镜像的形式存在，Docker通过屏蔽环境的差异，可以方便地让应用在各种环境运行，而且Docker还具有对镜像的版本控制功能。

Docker的构成

Docker有自己完善的生态圈，总体来说分为Docker镜像仓库和Docker自身程序两部分。
其中Docker自身程序又分为Server和Client两部分，采用了C/S架构，用Go语言编写。
Docker的Server端又称作Docker Daemon，在宿主机上以后台守护进程的形式运行。Docker Client使用比较灵活，既可以在本机上以bin命令的形式（如Docker info、Docker start）发送指令，也可以在远端通过RESTful API的形式发送指令；Docker的Server端接收指令并把指令分解为一系列任务去执行。

当通过Docker client发送docker run指令来创建并启动容器的时候，Docker Daemon首先会检查本地是否有对应的镜像，如果没有就从官方仓库下载，然后基于下载的镜像创建并启动容器，最后把执行结果返回给Docker Client。

Docker的分层和写时拷贝策略

Docker会把软件和它依赖的环境（包括操作系统和共享库等）、依赖的配置文件打包在一起，以虚拟机镜像的形式放到官方仓库供别人下载使用。
但操作系统的体积相对软件的体积来说太大了，为了运行软件，每次都下载配套的操作系统是不现实的。为了解决这个问题，Docker引入了分层的概念。把一个应用分为任意多个层，比如操作系统是第一层，依赖的库和第三方软件是第二层，应用的软件包和配置文件是第三层。如果两个应用有相同的底层，就可以共享这些层。越是处于底部体积大的层，共享的可能也就更大。

但分层方式还会面临共享层冲突的问题，所以Docker为文件层增加了优先级属性，上层和下层有相同的文件和配置时，上层覆盖下层。比如，应用A需要修改操作系统的某个配置，应用B不需要修改。这时给以应用A增加一个优先级最高的空白层，如果需要修改下层的文件，就把这个文件拷贝到这个空白层进行修改，保证下层的文件不做任何改变，这称为写时拷贝策略。

应用A：              
====运行的应用====== 
======空白层======== 
=====配置文件======= 
=====依赖的库======= 
=====操作系统======= 

应用B:
====运行的应用======
=====配置文件=======
=====依赖的库=======
=====操作系统=======

Docker与主流虚拟机的区别

KVM、Xen、VMWare、VirtualBox等主流的虚拟机一般比较笨重，在运行的时候，虚拟机本身就要消耗大量的系统资源（CPU、内存等），而且这类虚拟机启动时间也比较长，动辄耗时数分钟。
而以OpenVZ、VServer、LXC为代表的容器类虚拟机，是一种内核虚拟化技术，与宿主机运行在相同Linux内核，不需要指令级模拟，性能消耗非常小，是非常轻量级的虚拟化容器，虚拟容器的系统资源消耗和一个普通的进程差不多。Docker就是使用LXC（后来又推出libcontainer）让虚拟机变得轻量化。

Docker镜像与容器的关系

那么镜像与容器是什么关系呢，根据前面的描述得知：镜像指的是以分层的、可以被LXC/libcontainer理解的文件存储格式。Docker的应用都是以这种格式发布到Docker仓库中，供大家使用。而容器则是指：把应用镜像从Docker仓库下载到本地机器上，以镜像为模板，在一个容器类虚拟机中把这个应用启动，这个虚拟机叫就是容器了。
从另一个角度来说，镜像和容器可以看作是一个Docker化应用的两种不同状态。镜像状态时，一个应用只有运行所需的必要文件、程序包等内容，而且应用也处于静止态；而容器状态时，应用要运行起来以对外提供服务，有可能修改文件，比如输出日志、动态更新某个配置等等，这时需要有空白层用于写时拷贝。

镜像的变更管理

利用镜像分层存储的特性，Docker还可以做到灵活的变更管理。
比如一个Docker镜像它的V1.0版本有三层，现在要对它做如下修改：修改位于第一层的文件A；删除位于第二层的文件B；添加一个新文件C。
这时就会增加一个第四层，在这一层做修改：把第一层的文件A拷贝到第四层，修改文件A的内容；在第四层，把名称为B的文件设置为不存在；在第四层，创建一个新文件C。

v1.0：                      
                      
=====第三层 50M=====  
=====第二层 500M====  
=====第一层 1G======  

v1.1:                        
===第四层 修改 1M===
=====第三层 50M=====
=====第二层 500M====
=====第一层 1G======

这样修改就完成了，在向仓库发布这个新版本时，因为前三层已经存储在仓库，只需要上传体积很小的第四层就可以了。使用这个镜像的其它机器要升级版本时，同样也只需要从仓库下载第四层。
由此可见这种分层的特性对于Docker的重要意义，利用分层特性，Docker可以做到镜像的增量变更，使得Docker镜像的下载上传变得非常轻量（除了第一次操作）。

参考资料
李金榜 尹烨 刘天斯 陈纯 著 《循序渐进学Docker》