在 Docker 的生态中，有容器（container）和镜像（image）两个重要的概念，那么容器和镜像是如何在主机（host）上储存的呢？

系统信息

系统： Ubuntu 16.04
Docker: 17.10.0-ce

Storage Driver: overlay2

镜像

首先来看下什么是容器，引用 Docker 官方的话的就是

容器是一个轻量级（lightweight）、独立的（stand-alone）和包含一系列软件能够执行的程序包

那么镜像和容器有什么关系呢？容器可以认为是一个实例化的镜像的。镜像在系统上，是分层储存的，每一层的文件、配置信息叠加在一起，就成为了镜像。

制作

首先看下制作镜像，一般情况下，是通过编写 Dockerfile 然后使用 Docker 命令来生成一个镜像。下面来看一个例子，首先新建一个文件，名字为 Dockerfile，内容如下

FROM debian:8
MAINTAINER @cloverstd <cloverstd@gmail.com>

RUN apt-get update -y && \
    apt-get install -y emacs
RUN apt-get install -y apache2

CMD ["/bin/bash"]

然后通过执行 docker build -t repository:tag . 命令，就可以生成一个名为repository:tag 的镜像。

通过 docker history repository:tag 命令可以看到镜像的每一层的信息，在我的机器上，输出如下

IMAGE               CREATED             CREATED BY                                      SIZE                COMMENT
d951e6ed5b00        34 minutes ago      /bin/sh -c #(nop)  CMD ["/bin/bash"]            0B
4ea03e7b0db6        34 minutes ago      /bin/sh -c apt-get install -y apache2           13.5MB
9ea713f268c9        36 minutes ago      /bin/sh -c apt-get update -y &&     apt-ge...   364MB
0f8e9812e8b8        42 minutes ago      /bin/sh -c #(nop)  MAINTAINER @cloverstd <...   0B
25fc9eb3417f        4 weeks ago         /bin/sh -c #(nop)  CMD ["bash"]                 0B
<missing>           4 weeks ago         /bin/sh -c #(nop) ADD file:55b071e2cfc3ea2...   123MB

可以通过上面的信息看到在 Dockerfile 中的每一个『命令』都被映射到了每一层，其实在制作镜像的过程，在RUN命令执行时，docker 会运行一个临时容器，在里面运行RUN后面的命令，然后再把容器提交成为镜像，所以，容器可以变成镜像，镜像也可以变成容器。

通过上面的输出的第一列可以看出，在 docker 里面，其实每一层都是一个 image，但是一般情况下，大家都把 `repository:tag` 这个称为一个镜像。

储存

由于 Unix 一切皆文件，所以 Docker 镜像也是以文件的形式储存在系统中，并且是分层储存的。

下面来看另外一个例子，Dockerfile 如下

FROM alpine:3.4

RUN mkdir -p /data/layer
WORKDIR /data/layer

COPY layer1 /data/layer
COPY layer2 /data/layer

RUN touch /data/layer/layer1

COPY layer3 /data/layer
RUN echo 'echo "hello"' >> /etc/profile

然后通过 docker buil -t repository:layer . 命令，生成一个名为 repository:layer 的镜像，镜像 ID 为 e7001f202e365558d9d922010e56775d8d1538d72911c86d8e7b0d9482d9cff8，然后执行 docker inspect repository:layer，可以得到以下信息（省略了部分）

{
  // ...
  "GraphDriver": {
    "Data": {
      "LowerDir": "/var/lib/docker/overlay2/cc191abf48cfa6ba96e1f4eae0133743c6cdcc6eb9942624bd0ad4df015d1f85/diff:/var/lib/docker/overlay2/5157fc9701ca747754ad8f3a18622ae1d38aab8302324c34cb5614ee30b7abdb/diff:/var/lib/docker/overlay2/3d008a0d62a6ce66adba7401a6a887a87cc0ee3fba306e7d06fcbd4d76f35207/diff:/var/lib/docker/overlay2/53f442e9e9c78238eb98fc3a9d418b66218ab34cfeb5618adb3c40558b8f5b59/diff:/var/lib/docker/overlay2/3b5e8ca8ad4b0b4605a7e27f272e5ad85a9198ac6ae730c4de3a6ee27ab558bb/diff:/var/lib/docker/overlay2/4f144dd9d686cc3c6f1dae44e921e20969ea4b977f7beef16d6f8a258f1cb894/diff",
      "MergedDir": "/var/lib/docker/overlay2/92820aa50dce9750006c7afcb53c110f7f254818e42d4a641a21ef397652a687/merged",
      "UpperDir": "/var/lib/docker/overlay2/92820aa50dce9750006c7afcb53c110f7f254818e42d4a641a21ef397652a687/diff",
      "WorkDir": "/var/lib/docker/overlay2/92820aa50dce9750006c7afcb53c110f7f254818e42d4a641a21ef397652a687/work"
    },
    "Name": "overlay2"
  }
  // ...
}

其中 GraphDriver.Data 下的信息就是镜像在机器上的储存路径了。

将上面信息整理一下，得到下面的结构

/var/lib/docker/overlay2/92820.../diff
/var/lib/docker/overlay2/cc191.../diff
/var/lib/docker/overlay2/5157f.../diff
/var/lib/docker/overlay2/3d008.../diff
/var/lib/docker/overlay2/53f44.../diff
/var/lib/docker/overlay2/3b5e8.../diff
/var/lib/docker/overlay2/4f144.../diff

从上到下，就是镜像当前层的文件与之前所有层的 diff 情况。

与上面镜像的 Dockerfile 对应起来看就是，1 中存的文件就是 echo 'echo "hello"' >> /etc/profile 的改变，因为 /etc/profile 这个文件在之前的层是存在的，所以在 docker 制作镜像的过程中，docker 会将 /etc/profile 拷贝一份，然后在拷贝的基础上修改储存，diff 的级别是文件本身，而不是文件内容。

7 对应的就是看似是FROM alpine:3.4这一行，其实，是因为alpine:3.4这个镜像就一层，所以在这里看起来，基础镜像会是一层。

其他层的与 Dockerfile 也是一一对应的。而WORKDIR /data/layer这一条 Dockerfile，是没有文件的改变，所以没有单独的一层来储存，是存在/var/lib/docker/image/overlay2/imagedb/content/sha256这里的配置信息中。

上面是在 overlay2 这个 driver 中的储存结构，但是 docker 支持多种 driver，那么 docker 是如何在不同 driver 中相互导入导出的并且保持镜像结构不变的呢？
可以看下 docker image 脱离于 driver 的结构，首先将镜像从 docker 中导出，执行 docker save repository:layer -o image.tar 会在当前目录下生成一个 image.tar 的文件，解压后就会得到 repository:layer 这个镜像的每一层的文件信息了，解压后的主要文件信息如下

e7001f202e365558d9d922010e56775d8d1538d72911c86d8e7b0d9482d9cff8.json 存的镜像的配置信息。
repositories文件存的是镜像顶层的 layer 信息，在我这里是f8504ccc4a74115c572be9f13925c63b628b1e3c5eb347196f62971aa8e9a335 这个 ID，也就是 layer index。

通过 repositories 里信息，可以看到 ID 的。除了上面说的两个文件，解压出来的还有以 layer ID 命名的目录，根据 repositories 中的 layer ID 进入到对应的目录里，里面有三个文件，其中 layer.tar 里存的就是这一层与之前所以层的 diff 文件，也就是上面 1 中的文件，/etc/profile。

然后还有一个json文件，里面存的是这一层在镜像制作过程中的临时容器信息，还有一个最重要的parent项，里面存的信息就是这一层的下面一层的 ID，根据这个 ID 就可以依次找到每一层的信息。
这里面存的就是镜像的信息，把这个 image.tar 拿到其他装有 docker 的机器上，通过 docker load -i image.tar 就可以将镜像导入到 docker 中。

根据上面的镜像储存的文件信息，可以看出，镜像是分层储存的。

容器

上面说了，容器就是一个镜像的实例化的表现，所以，容器也是分层的，当运行一个容器时，会在镜像的最上层加一个 writable layer（如上图所属），在容器运行时对于容器的读写文件操作，都是作用在 writable layer 的。

将上面的 repository:layer 镜像通过命令 docker run -it --name layer --rm repository:layer sh 运行起来，然后再次通过 docker inspect layer 这个命令，还是看 GraphDriver.Data 信息

{
  "GraphDriver": {
    "Data": {
          "LowerDir": "/var/lib/docker/overlay2/9b949f2ddb766c5fe0e66aa4e81b66c2367a6a3d1f6658ab6ac863a66b63dd4b-init/diff:/var/lib/docker/overlay2/92820aa50dce9750006c7afcb53c110f7f254818e42d4a641a21ef397652a687/diff:/var/lib/docker/overlay2/cc191abf48cfa6ba96e1f4eae0133743c6cdcc6eb9942624bd0ad4df015d1f85/diff:/var/lib/docker/overlay2/5157fc9701ca747754ad8f3a18622ae1d38aab8302324c34cb5614ee30b7abdb/diff:/var/lib/docker/overlay2/3d008a0d62a6ce66adba7401a6a887a87cc0ee3fba306e7d06fcbd4d76f35207/diff:/var/lib/docker/overlay2/53f442e9e9c78238eb98fc3a9d418b66218ab34cfeb5618adb3c40558b8f5b59/diff:/var/lib/docker/overlay2/3b5e8ca8ad4b0b4605a7e27f272e5ad85a9198ac6ae730c4de3a6ee27ab558bb/diff:/var/lib/docker/overlay2/4f144dd9d686cc3c6f1dae44e921e20969ea4b977f7beef16d6f8a258f1cb894/diff",
          "MergedDir": "/var/lib/docker/overlay2/9b949f2ddb766c5fe0e66aa4e81b66c2367a6a3d1f6658ab6ac863a66b63dd4b/merged",
          "UpperDir": "/var/lib/docker/overlay2/9b949f2ddb766c5fe0e66aa4e81b66c2367a6a3d1f6658ab6ac863a66b63dd4b/diff",
          "WorkDir": "/var/lib/docker/overlay2/9b949f2ddb766c5fe0e66aa4e81b66c2367a6a3d1f6658ab6ac863a66b63dd4b/work"
      },
      "Name": "overlay2"
  }
}

可以看到，从/var/lib/docker/overlay2/92820.../diff开始，都是和上面镜像一模一样的文件夹，唯一的区别就是/var/lib/docker/overlay2/9b949f...-init/diff，这个是容器在运行时的 init layer，里面存的是容器的 host 和 dns 信息，这一层也是 readonly layer，真正的 writable layer 是/var/lib/docker/overlay2/9b949...，如果在上面运行的容器中去修改一下/data/layer/layer3文件的值为 4，对应的在系统中的/var/lib/docker/overlay2/9b949.../diff目录下，就会多出一个data/layer/layer3的文件，并且文件内容为4，而/var/lib/docker/overlay2/9b949.../merged目录中就是容器中的用户视角的所以文件了，包含这个容器的每一层文件，所以在这个目录下的data/layer/layer3文件的内容也会变成4。

以上就是容器在系统中的储存结构了。

registry

registry 是镜像在服务端的储存仓库，docker hub 就是 docker 官方提供的 docker registry。我们也可以通过官方提供的 distribution 来自己搭建私有的镜像仓库。

在 registry 中，镜像也是以分层的形式储存的，registry 也是支持多种储存方式( driver )的，默认就是filesystem本地文件存储，关于自定义 driver 可以看这里。

通过docker run -d -v /var/lib/registry:/var/lib/registry -p 5000:5000 registry:2来在本地运行一个镜像仓库，然后将我们前面制作的repository:layer推送到这个镜像仓库中。
镜像的名字，实际上是应该要包含镜像仓库的地址的，如果不写，默认就是官方的 docker hub 了。

所以推送之前，先需要将我们的镜像通过 docker tag repository:layer 127.0.0.1:5000/repository:layer 命令重新命名一下，然后执行 docker push 127.0.0.1:5000/repository:layer 就可以将镜像推送都刚刚运行的镜像仓库中了，在推送的过程中，也是可以看到，镜像是分层推送的。
当推送完毕之后，可以在主机上的 /var/lib/registry/docker/registry/v2 这个目录下看到刚刚推送的镜像了，当然，也是分层储存的，并且镜像的每一层的文件、配置信息与连接每一层的 index 是分开储存的，这样就可以在镜像仓库中复用同一层，当推送的镜像的某一层在 registry 中时，docker 就不会再次推送这一层了，可以加速镜像的推送，也可以节省储存空间。

其中 repositories/repository 这个目录，表示的是镜像127.0.0.1:5000/repository:layer 的 repository 这个 namespace。

在这个目录下的 _manifests/tags 目录下，则存的是这个 namespace 下所以的 tag 了，比如我们刚刚推送的 tag 是layer，所以会有一个layer的目录，里面包含了layer这个 tag 的 index 信息。

通过 index 信息，就可以在repositories/repository/layer/_layers/sha256里面找到每一层的 index，根据 index 可以在repositories/blobs下面找到对应的每一层的文件和配置信息。

相同的层的只会存一份。

编写 Dockerfile

通过上面的镜像的储存分析，所以在编写 Dockerfile 的时候，可以遵循下面的几点规则

合理分层，重复利用镜像缓存
只删除当前层中创建的文件
选择较小体积的基础镜像（比如 alpine）