Docker容器实战五:镜像与容器
本文将讲解关于镜像与容器的工作原理 ,通过本文的介绍,读者可以对产品的使用有更加深入的理解。
一. bootfs和rootfs
通常而言,Linux的操作系统由两类文件系统组成:bootfs(boot file system)和rootfs(root file system),它们分别对应着系统内核与根目录文件。bootfs层主要为系统内核文件,这层的内容是无法修改的。当我们的系统在启动时会加载bootfs,当加载完成后整个内核都会存到内存中,然后系统会将bootfs卸载掉。而rootfs层则包含了系统中常见的目录和文件,如/bin,/etc,/proc等等。
Docker的镜像技术可以使用宿主机的bootfs层,这使得镜像本身只需要封装rootfs层所需要的文件和工具即可。因此,镜像可以根据需要进行定制化封装,减少占用的存储空间,如部分极精简的镜像只有几MB大小。
在不同Linux发行版本中,它们之间的主要区别在于rootfs层,比如ubuntu使用apt管理软件,而Centos使用yum方式。而在内核层面,两者的差别并不大。因此,我们可以在一台主机上同时支持不同Linux系统的镜像而不出现报错,如同时启动Centos和Ubuntu的容器。
但需要注意的是,不管容器使用什么系统的镜像,实际的内核版本都与镜像无关,都为宿主机的内核。如ubuntu16.04 的容器跑在Centos7.x的宿主机上,虽然ubuntu的内核版本是4.x.x,但我们在容器中会看到内核为centos 7.x 的内核,即 3.x.x。如果是对内核版本的要求的程序,可能会因此受到影响。
二. 镜像结构
Docker镜像采用分层的结构,由一些松耦合的只读层堆叠而成,并对外展示为一个统一的对象。所有的镜像都开始于一个基础的镜像层,当我们进行修改或内容添加时,会在镜像层上面创建新的一层。
最底层通常为基础层镜像,然后再层层叠加上来,比如安装一个Python软件,此时会在基础层上面添加一个新的层,上面包含了我们所安装的Python程序。
镜像做为所有镜像层的组合,如果镜像中有相同路径的文件,则上层镜像会覆盖下层镜像的内容,最终展示为所有层的数据汇总。
如下图所示,由于第二层的文件2与第一层具有相同的文件路径,则镜像将以第二层的文件2内容进行展示,第一层只有文件1会被显示。
我们再来回顾一下前面镜像拉取时的输出内容,Pull complete结尾的每一行代表镜像中某个被拉取的层,每个层级通过一个唯一的ID进行标识。
$ docker pull nginx:1.20
1.20: Pulling from library/nginx
5eb5b503b376: Pull complete
cdfeb356c029: Pull complete
d86da7454448: Pull complete
7976249980ef: Pull complete
8f66aa6726b2: Pull complete
c004cabebe76: Pull complete
Digest: sha256:02923d65cde08a49380ab3f3dd2f8f90aa51fa2bd358bd85f89345848f6e6623
Status: Downloaded newer image for nginx:1.20
docker.io/library/nginx:1.20
镜像层的松耦合代表着它不属于某个镜像独有,当不同镜像包含相同的层时,系统只会存储该层的一份内容,这是Docker镜像的重要特点,这样的好处有利于减少存储空间的占用。如下所示,当我们拉取另一个版本的Nginx镜像时,其中ID号为5eb5b503b376的层已经存在,则会显示为Already exists,直接使用此镜像层。
$ docker pull nginx:1.21
1.21: Pulling from library/nginx
5eb5b503b376: Already exists
1ae07ab881bd: Pull complete
78091884b7be: Pull complete
091c283c6a66: Pull complete
55de5851019b: Pull complete
b559bad762be: Pull complete
Digest: sha256:2834dc507516af02784808c5f48b7cbe38b8ed5d0f4837f16e78d00deb7e7767
Status: Downloaded newer image for nginx:1.21
docker.io/library/nginx:1.21
三.容器层
我们前面说到镜像层是只读模板,那么当我们使用镜像生成容器时,为什么又能写入数据呢?这个问题的答案涉及到一个概念:容器层。
当容器启动时,会有一个新的可写层被加载到镜像的顶部,这一层通常被称为容器层。所有对容器的修改都会发生在容器层,只有容器层是可写入的,容器层以下的镜像层都是只读的。
当我们对容器进行操作时,底层的工作原理如下:
读取文件:当容器需要读取文件时,会先在容器层寻找,如果没有发现,则会从最上层的镜像层往下寻找,当找到文件后读取到内存使用。
增加文件:当增加文件时,文件会直接写到最上面容器层,不会影响到镜像层内容。所以,当我们将容器删除时,容器中的文件也会随着消失。
修改文件:此时,如果该文件是在容器层的,则会直接修改。否则的话,Docker会从上往下依次在各层镜像中查找此文件 ,当找到后将其复制到容器层中,并进行修改。这被称为容器的写时复制特性(Copy-on-Write),这个技术保证了我们对容器的修改不会影响到底层的镜像,也实现了一个镜像可以被多个容器共用。
删除文件:当我们需要删除文件时,Docker也是由上往下寻找该文件 ,如果在容器层的文件会被直接删除,而在镜像层的文件则会被标记,此时在容器将不会再出现此文件,但镜像中的文件并不会做更改。
四. 联合文件系统
关于镜像与容器功能的实现,依赖其使用了联合文件系统(UnionFS)技术,这是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统。Docker 目前支持的联合文件系统包括 OverlayFS
, AUFS
, VFS
Device Mapper等
,而默认的存储驱动为Overlay2。
关于它的详细技术细节不文不做过多介绍,有兴趣的朋友可自行查阅。
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