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Docker介绍

容器的出现

我们都知道，一个产品的出现要经过开发、测试、部署、上线等等步骤。而如今，开发人员通常使用多种服务构建和主装应用，而且这些应用很可能会部署到不同的环境，比如虚拟服务器、公有云和私有云。

这个时候就产生了一些问题。首先，应用包含的多种服务有自己所依赖的库和软件包；另一方面存在多种部署的环境，服务在运行时可能需要迁移到不同的环境中。那如何让每种服务在所有的部署环境中顺利运行呢？

这个时候容器技术就出现了：我们把所有的环境、依赖、代码打包好，生成一个镜像。只需要一次配置好环境，换到别的机子上就可以一键部署好，大大简化了操作。

再来看看 docker 的图标：

Docker 将集装箱的思想运用到软件打包上，为代码提供了一个基于容器的标准化运输系统。Docker 可以将任何应用及其依赖打包成一个轻量级、可移植、自包含的容器。容器可以运行在几乎所有操作系统上。

我们现在知道 docker 是如何出现的了，总结成一句话：“一次封装，到处运行”。

Docker 架构

先来看看 docker 架构图： docker架构图 Docker 采用的是 Client/Server 架构。客户端向服务端发送请求，服务器负责构建、运行和分发容器。客户端和服务器可以在同一个 Host 上，客户端也可以通过 socket 或 REST API 与远程服务器通信。

架构图中的几个核心组件：

  • docker 客户端：Client。 最常用的 docker 客户端是 docker 命令。通过 docker 我们可以方便地在Host上构建和运行容器。
  • docker 服务器：Docker daemon。 Docker daemon 运行在 Docker host 上，负责创建、运行、监控容器，构建、储存镜像。默认配置下，Docker daemon 只能相应来自本地 Host 的客户端请求。
  • docker 镜像：Images。 可以将 docker 的镜像看成只读模板。镜像可以用来创建容器。一个镜像可以创建很多容器。镜像和容器的关系类似于面向对象编程中的类与对象。
  • docker 容器：Container。 Docker 容器就是镜像的运行实例。它可以被启动、开始、停止、删除。每个容器都是相互隔离的、保证安全的平台。可以这么认为，镜像就是软件的构建和打包阶段，而容器则是启动和运行阶段。
  • docker 仓库：Registry。 Registry 是存放 Docker 镜像的仓库，Registry 分私有和公有两种。 Docker Hub (https://hub.docker.com/) 是默认的 Registry ，由 Docker 公司维护，上面有数以万计的镜像可以下载和使用。当然，我们也可以创建自己私有的 Registry。 docker pull命令可以从 Registry 下载镜像。 docker run命令是先下载镜像 (如果本地没有)，然后再启动容器。

一个完整的例子:快速认识docker

huanglingyun$ docker run -d httpd    ①    
Unable to find image 'httpd:latest' locally     ②
latest: Pulling from library/httpd  
5b54d594fba7: Pull complete 
4b53bced9ee8: Pull complete     ③
33abd7401e3d: Pull complete 
8fb831f2b4d7: Pull complete 
f26db3b1c783: Pull complete 
Digest: sha256:f1d23356c95762858854958be00b66c92f7bf35a88b902575a2afd808e1ab29e
Status: Downloaded newer image for httpd:latest    ④
eef2406da215e77b1c44f70ff849d1c8452b2bbe98023a1348e25a55a6f736cd    ⑤
huanglingyun$

①在客户端执行docker run命令 ②daemon 发现本地没有 httpd 的镜像 ③daemon从Docker hub下载镜像 ④下载完成，镜像 httpd 被保存到本地 ⑤启动容器，这一长串是容器的ID

再看一下现在的镜像列表和正在运行的容器：

huanglingyun$ docker images
REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
httpd               latest              a8a9cbaadb0c        10 hours ago        166MB
huanglingyun$ docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND              CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
eef2406da215        httpd               "httpd-foreground"   8 minutes ago       Up 8 minutes        80/tcp              affectionate_keldysh
huanglingyun$

Docker镜像内部结构

我们已经知道了，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、库、环境变量和配置文件。

docker 的镜像实际上是由一层一层的文件系统构成，这种层级的文件系统就是 UnionFS。

UnionFs（联合文件系统）：union文件系统是一种分层、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下。

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，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。

base镜像

base镜像有两层含义：①不依赖其他镜像，从0(scratch)构建 ②其他镜像可以以之为基础进行拓展。 通常能称为base镜像的都是各种 Linux 发行的 docker 镜像，比如 Ubuntu、CentOS、Debian 等等。

以 CentOS 为例：

huanglingyun$ docker images centos
REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
centos              latest              470671670cac        3 months ago        237MB

我们发现 CentOS 的镜像只有200MB，比我们安装虚拟机的几个GB少很多。

这是因为：Linux操作系统由内核空间和用户空间组成。Linux 刚启动时会加载 bootfs 文件系统，之后 bootfs 会被删除掉。用户空间的文件系统是 rootfs。对于 base 镜像来说，底层直接用 Host 的 kernel，自己只需要提供 rootfs 就行了。

而对于精简版的 OS 来说，rootfs 可以很小，只需要包括最基本的命令、工具和程序库就可以了。所以 base 镜像占用的空间都不大。

镜像的分层结构

Docker 支持通过扩展现有的镜像，创建新的镜像。 实际上，Docker Hub 中绝大部分镜像都是通过在 base 镜像中安装和配置需要的软件构建出来的。如图：

可以看到，新镜像是从 base 镜像一层一层叠加生成的。每安装一个软件，就在现有镜像的基础上增加一层。

分层结构的优势：共享资源。比如多个镜像由相同的base镜像构建而来，那么 Docker Host 只需在磁盘上保存一份 base 镜像；同时内存中也只需加载一份 base 镜像，就可以为所有容器服务了。而且除了 base 镜像以外，镜像的每一层都可以被共享。

容器的可写层

当我们用镜像启动容器时，一个新的可写层被加载到镜像的顶部。这一层通常被称作容器层，容器层下面的是镜像层。所有对容器的改动 - 无论添加、删除、还是修改文件都只会发生在容器层中。

当我们对容器进行一些操作： ①添加文件 ：在容器中创建文件时，新文件被添加到容器层中。 ②读取文件 ：在容器中读取某个文件时，Docker 会从上往下依次在各镜像层中查找此文件。一旦找到，打开并读入内存。 ③修改文件 ：在容器中修改已存在的文件时，Docker 会从上往下依次在各镜像层中查找此文件。一旦找到，立即将其复制到容器层，然后修改之。 ④删除文件 ：在容器中删除文件时，Docker 也是从上往下依次在镜像层中查找此文件。找到后，会在容器层中记录下此删除操作。

可见，容器层保存的是镜像变化的部分，不会对镜像本身进行任何修改。且只有当需要修改时才复制一份数据，这种特性被称作 Copy-on-Write。

总结：容器层 - 可写 镜像层 - 可共享 - 不能被修改 - 只读

构建镜像

Docker 提供了两种构建镜像的方法：① docker commit 命令 ② 通过Dockerfile 来构建

docker commit

docker commit命令是创建新镜像最直观的方法，包含三个步骤：

  • 运行容器
  • 进入容器并修改容器
  • 将容器保存为新的镜像

这是一种手工创建镜像的方式，容易出错且效率低。而且使用者并不知道镜像是如何创建出来的，安全性不知。所以 docker 并不推荐用这种方式构建镜像。 这个很好理解就不多讲了，重点是如何通过 Dockerfile 构建镜像。

Dockerfile

Dockerfile 是一个文本文件，记录了镜像构建的所有步骤。Dockerfile的内容包括执行代码或者是文件、环境变量、依赖包、服务进程和内核进程等等。通过docker build这个文件来创建镜像。 以 CentOS镜像的 Dockerfile 为例：

#Dockerfile
1 FROM scratch
2 ADD centos-7-docker.tar.xz /
3 CMD ["/bin/bash"]

FROM指定了基础镜像，当前镜像是基于哪个镜像的，centos 本身就是 base 镜像，所以它是从 scratch (0)开始构建的。ADD将 Host 的文件拷贝进镜像并且会自动处理 URL 和解压 tar 包，centos 的 tar 包会自动解压到/目录下。CMD指定一个容器启动时要运行的命令。

Dockerfile 的常用命令除了上面的还有很多，例如：RUN容器构建时需要运行的命令。ENV设置环境变量。WORKDIR设置默认的工作目录。COPY类似于ADD。VOLUME容器的数据卷，用于数据的保存和持久化工作。EXPOSE指定容器要打开的端口。具体的语法和命令差别不做过多的介绍了。

Docker 执行 Dockerfile 的大致流程： ①docker 从基础镜像运行一个容器 ②执行每一条指令并对容器进行修改 ③执行类似docker commit操作提交一个新的镜像层 ④docker 再基于刚提交的镜像运行一个新的容器 ⑤执行 Dockerfile 中的下一条指令直到所有指令都执行完成

由此可见，使用 Dockerfile 构建镜像，底层也是docker commit一层一层实现的。

docker build

用 miniProject 作为示例，先看看 Dockerfile 文件：

  #Dockerfile
  1 FROM golang
  2 ENV GO111MODULE "on"
  3 ENV GOPROXY "https://goproxy.cn"
  4 ADD . $GOPATH/src/github.com/2020-LonelyPlanet-backend/miniProject
  5 WORKDIR $GOPATH/src/github.com/2020-LonelyPlanet-backend/miniProject
  6 COPY etc/localtime /etc/localtime
  7 RUN make
  8 EXPOSE 9090
  9 CMD ["./miniProject"]

然后用docker build创建镜像

huangliyundeair:miniProject huanglingyun$ docker build -t miniproject:v1  .    
Sending build context to Docker daemon  152.5MB
Step 1/9 : FROM golang
latest: Pulling from library/golang
90fe46dd8199: Pull complete 
35a4f1977689: Pull complete 
···
Digest: sha256:e36e74d9770fa9fbf06cda4494ae1e6442637e53d71fbd77560ac3eb976a1417
Status: Downloaded newer image for golang:latest
 ---> 2421885b04da
Step 2/9 : ENV GO111MODULE "on"
 ---> Running in 5ad2740ff60e
Removing intermediate container 5ad2740ff60e
 ---> e7075b535fbd
Step 3/9 : ENV GOPROXY "https://goproxy.cn"
 ---> Running in 4c98dd5049c3
Removing intermediate container 4c98dd5049c3
 ---> 316589a734eb
Step 4/9 : ADD . $GOPATH/src/github.com/2020-LonelyPlanet-backend/miniProject
 ---> 926ecaa94440
Step 5/9 : WORKDIR $GOPATH/src/github.com/2020-LonelyPlanet-backend/miniProject
 ---> Running in f26cf0e66359
Removing intermediate container f26cf0e66359
 ---> 3b77b943c038
Step 6/9 : COPY etc/localtime /etc/localtime
 ---> 7cf54ecc7738
Step 7/9 : RUN make
 ---> Running in 4d49bf1e0a84
gofmt -w .
go mod tidy
···
Removing intermediate container 4d49bf1e0a84
 ---> 23795a5b24cb
Step 8/9 : EXPOSE 9090
 ---> Running in 2221d5b05298
Removing intermediate container 2221d5b05298
 ---> ec6d55e4dd84
Step 9/9 : CMD ["./miniProject"]
 ---> Running in 118daaec1d2e
Removing intermediate container 118daaec1d2e
 ---> 254c7b660fdc
Successfully built 254c7b660fdc
Successfully tagged miniproject:v1

首先运行docker build命令，-t将新镜像命名为 miniproject ，命名末尾的.指的是docker 默认从当前目录下查找 Dockerfile 文件。也可以通过-f参数指定 Dockerfile 位置。 执行过程从上到下，分别是 Step1 到 Step9。

再查看一下本地镜像，看到了这个新镜像 miniproject 且标签为 v1。ID 与构建时输出一致。

huanglingyun$ docker images miniproject
REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
miniproject         v1                  254c7b660fdc        About an hour ago   1.33GB

docker仓库

类似于git，用户可以从 Docker hub 上 pull 镜像下来使用，同样用户可以将自己的镜像保存到 Docker hub 免费的 repository中。 方法很简单，终端登录上docker hub，再 push 就可以了。 注意：镜像的 registry 要包含完整的用户名，用docker tag改一下名字就行了。

huanglingyun$ docker tag miniproject:v1 hlyyy/miniproject:v1
huanglingyun$ docker push hlyyy/miniproject:v1

除了使用 Docker hub，国内也有免费的镜像仓库，比如阿里云。还可以在本地搭建镜像仓库，具体方法就不多说了。

Docker容器

容器与虚拟机的区别

虚拟机：需要安装整个操作系统。缺点：占用内存多，步骤多，启动慢。

容器：直接运行于 Host 的内核，没有硬件，仅包含运行时所需的 runtime 环境。优点：启动速度快，资源利用率高，性能开销小。

下图表示了容器各种状态之间的转换：

包括了容器的创建，运行，暂停，停止，删除。

总结

上面的内容可以总结为这一张图，包含了各个部分的关系。

以上是关于 docker 的一些基础知识，深入学习还有网络通信、数据管理和容器平台技术等等。