EP5 Docker镜像原理

陈尕六
100 阅读8分钟

EP5 Docker镜像原理

什么是镜像

镜像是一种轻量级、可执行的独立软件，用来打包软件运行环境和基于运行环境开发的软件，他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。

所有应用，直接打包docker镜像，就可以直接跑起来！

如何得到镜像:

  • 从远程仓库下载
  • 别人拷贝给你
  • 自己制作一个镜像 DockerFile

联合文件系统(UnionFs)

  • 联合文件系统（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 virtual filesystem）。
  • 联合文件系统是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（没有父镜像概念），可以制作各种具体的应用镜像。

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。

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（联合文件系统）。分为两个部分：

bootfs（boot file system）：主要包含bootloader和kernel（Linux内核），bootloader主要是引导加载kernel，Linux刚启动时会加载bootfs文件系统，而在Docker镜像的最底层也是bootfs这一层，这与我们典型的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。

即：系统启动时需要的引导加载，这个过程会需要一定时间。就是黑屏到开机之间的这么一个过程。电脑、虚拟机、Docker容器启动都需要的过程。在说回镜像，所以这一部分，无论是什么镜像都是公用的。

rootfs（root file system）：rootfs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。

即：镜像启动之后的一个小的底层系统，这就是我们之前所说的，容器就是一个小的虚拟机环境，比如Ubuntu，Centos等，这个小的虚拟机环境就相当于rootfs。

image.png 平时我们安装进虚拟机的CentOS都是好几个G，为什么Docker这里才200M？

image.png

对于个精简的OS,rootfs可以很小，只需要包合最基本的命令，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rootfs就可以了。由此可见对于不同的Linux发行版， boots基本是一致的， rootfs会有差別，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

我们可以去下载一个镜像，注意观察下载的日志输出，可以看到是一层层的在下载。

image.png 最大的好处，莫过于资源共享了！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 命令 image.png 所有的 Docker镜像都起始于一个基础镜像层，当进行修改或培加新的内容时，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 Linux16.04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，就会创健第三个镜像层该像当前已经包含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. image.png 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。

image.png 上图中的镜像层跟之前图中的略有区別，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。

image.png 文种情況下，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上可用的存储引撃有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，井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。所有镜像层堆并合井，对外提供统一的视图。

image.png

重点!

Docker 镜像都是只读的，当容器启动时，一个新的可写层加载到镜像的顶部！

这一层就是我们通常说的容器层，容器之下的都叫镜像层！

image.png

commit镜像

启动一个tomcat

[root@localhost ~]# docker run -d -p 8080:8080 tomcat
Unable to find image 'tomcat:latest' locally
latest: Pulling from library/tomcat
0e29546d541c: Pull complete
9b829c73b52b: Pull complete
cb5b7ae36172: Pull complete
6494e4811622: Pull complete
668f6fcc5fa5: Pull complete
dc120c3e0290: Pull complete
8f7c0eebb7b1: Pull complete
77b694f83996: Pull complete
0f611256ec3a: Pull complete
4f25def12f23: Pull complete
Digest: sha256:9dee185c3b161cdfede1f5e35e8b56ebc9de88ed3a79526939701f3537a52324
Status: Downloaded newer image for tomcat:latest
cef16a33acc7c0a102e05e1aaeeeacc02f532400e5405040ac275fe144acb04c

[root@localhost ~]# docker ps
CONTAINER ID   IMAGE     COMMAND                  CREATED          STATUS          PORTS                                       NAMES
cef16a33acc7   tomcat    "catalina.sh run"        38 seconds ago   Up 36 seconds   0.0.0.0:8080->8080/tcp, :::8080->8080/tcp   sweet_shaw

进入容器,发现tomcat在webapp目录下默认是没有文件的

[root@localhost ~]# docker exec -it cef16a33acc7 bash
root@cef16a33acc7:/usr/local/tomcat# ls
BUILDING.txt	 LICENSE  README.md	 RUNNING.txt  conf  logs	    temp     webapps.dist
CONTRIBUTING.md  NOTICE   RELEASE-NOTES  bin	      lib   native-jni-lib  webapps  work
root@cef16a33acc7:/usr/local/tomcat# cd webapps
root@cef16a33acc7:/usr/local/tomcat/webapps# ls

从webapps.dist复制文件到webapps

root@cef16a33acc7:/usr/local/tomcat# cp -r webapps.dist/* webapps
root@cef16a33acc7:/usr/local/tomcat# cd webapps
root@cef16a33acc7:/usr/local/tomcat/webapps# ls
ROOT  docs  examples  host-manager  manager

此时如果删除掉tomcat这个容器,重新启动一个的话我们上面的操作都会丢失,如果想保留上面的操作就可以通过commit命令调整一个新的镜像.

root@cef16a33acc7:/usr/local/tomcat/webapps# exit
exit
[root@localhost ~]# docker commit -a="chenrui" -m="fill in webapps" cef16a33acc7 tomcat-fill-webapps:1.0.0
sha256:4d0d83f83614d8230e9533869b0823fe15afaf673f19e7ee94b331fcc1c05acb
[root@localhost ~]# docker images
REPOSITORY            TAG       IMAGE ID       CREATED         SIZE
tomcat-fill-webapps   1.0.0     4d0d83f83614   5 seconds ago   684MB
nginx                 latest    605c77e624dd   7 months ago    141MB
tomcat                latest    fb5657adc892   7 months ago    680MB

运行新的镜像查看默认情况下webapp里面有没有文件

[root@localhost ~]# docker stop cef16a33acc7
cef16a33acc7
[root@localhost ~]# docker run --name new-tomcat -d -p 8080:8080 tomcat-fill-webapps:1.0.0
f80849b672367699d02498d032832953f02a6bc4bdd960c388e2f8b4fed86d41
[root@localhost ~]# docker exec -it new-tomcat bash
root@f80849b67236:/usr/local/tomcat# cd webapps
root@f80849b67236:/usr/local/tomcat/webapps# ls
ROOT  docs  examples  host-manager  manager
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