Docker 镜像原理
# 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、运行时、库、环境变量和配置文件。
镜像就是花卷,多个镜像组成一个完整的镜像
- 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代系统下。镜像可以通过分层来进行继承,基于基础镜像(没有父镜像),可以制作各种具体的应用镜像。Union 文件系统是 Docker 镜像的基础。
这种文件系统特性就是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。
# Docker 镜像原理
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。
- 典型的 Linux 文件系统由 bootfs 和 rootfs 两部分组成
- **bootfs(boot file system)**主要包含 bootloader 和 kernel,bootloader 主要是引导加载 kernel,Linux 刚启动时会加载 bootfs 文件系统,在 Docker 镜像的最底层是 bootfs。这一层与我们典型的 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。
- rootfs (root file system) ,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
- 我们平时安装进虚拟机的 CentOS 都有 1 到几个 GB,为什么 Docker 这里才 200MB?对于一个精简的 OS,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,因为底层直接使用 Host 的 Kemal,自己只需要提供 rootfs 就行了。由此可见不同的 Linux 发行版,他们的 bootfs 是一致的,rootfs 会有差别。因此不同的发行版可以共用 bootfs
[root@frx01 ~]# docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
centos latest 5d0da3dc9764 12 months ago 231MB
tomcat 8.5.27 a92c139758db 4 years ago 558MB
# 为什么Docker镜像要采用这种分层结构呢
最大的好处就是资源共享。
比如:有多个镜像都是从相同的 base 镜像构建而来的,那么宿主机只需在磁盘中保存一份 base 镜像。同时内存中也只需要加载一份 base 镜像,就可以为所有容器服务了。而且镜像的每一层都可以被共享。Docker 镜像都是只读的。当容器启动时,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,容器层之下都叫镜像层。
如何查看镜像分层?
使用 docker inspect
命令,查看容器细节
[root@frx01 ~]# docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
ubuntu latest ba6acccedd29 11 months ago 72.8MB
centos latest 5d0da3dc9764 12 months ago 231MB
tomcat 8.5.27 a92c139758db 4 years ago 558MB
[root@frx01 ~]# docker inspect tomcat:8.5.27
所有的 Docker 镜像都起始于一个基础镜像层,当进行修改或增加新的内容时,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 Linux 16.04 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,就会创建第三个镜像层。
该镜像当前已经包含 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,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。
这种情况下,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 上可用的存储引擎有 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,并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。
下图展示了与系统显示相同的三层镜像。所有镜像层堆叠并合并,对外提供统一的视图。
# 核心架构图
# Docker镜像commit操作案例
- docker commit提交容器副本使之成为一个新的镜像
- docker commit -m="提交的描述信息" -a="作者" 容器ID 要创建的目标镜像名:[标签名]
- 案例演示ubuntu安装vim
- 从Hub上下载ubuntu镜像到本地并成功运行
- 原始的默认Ubuntu镜像是不带着vim命令的
[root@frx01 ~]# docker run -it ubuntu /bin/bash
root@e4a6abf80ca5:/# ls
bin boot dev etc home lib lib32 lib64 libx32 media mnt opt proc root run sbin srv sys tmp usr var
root@e4a6abf80ca5:/# vim a.txt
bash: vim: command not found
- 外网连通的情况下,安装vim,docker容器内执行以下两条命令:
#先更新我们的包管理工具
apt-get update
#然后安装我们需要的vim
apt-get install vim
- 安装完成后,commit我们自己的新镜像
[root@frx01 ~]# docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
e4a6abf80ca5 ubuntu "/bin/bash" 21 minutes ago Up 21 minutes nostalgic_mclaren
[root@frx01 ~]# docker commit -m="add vim cmd" -a="frx" e4a6abf80ca5 frx01/myubuntu:1.3
sha256:64df8ffb7faf445aa2c8e0e69e67819c4abe549dae7f6ddea943b1a62588b190
- 启动我们的新镜像并和原来的对比
[root@frx01 ~]# docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
frx01/myubuntu 1.3 64df8ffb7faf 40 seconds ago 179MB
ubuntu latest ba6acccedd29 11 months ago 72.8MB
centos latest 5d0da3dc9764 12 months ago 231MB
tomcat 8.5.27 a92c139758db 4 years ago 558MB
- 官网是默认下载的Ubuntu没有vim命令
- 我们自己commit构建的镜像,新增加了vim功能,可以成功使用。
小总结
Docker中的镜像分层,支持通过扩展现有镜像,创建新的镜像。类似Java继承于一个Base基础类,自己再按需扩展。
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。
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