docker入门（六）—— docker镜像详细介绍，理解docker分层

docker 镜像详解

镜像本质是什么

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。

别人给我们生成好的一个环境，或者项目都可以打包成一个镜像

分层下载

这里我们下载一个 redis 镜像

在这里插入图片描述

这里我们可以看到，下载镜像并不是下载一个完整的包，而是分层进行下载，这些层最后组合成了完整的 redis 镜像

我们可以使用docker inspect redis来查看镜像分层的详细信息

在最后几行可以看到：

"RootFS": {
    "Type": "layers",
	# 镜像分层下载的片段
    "Layers": [
        "sha256:2edcec3590a4ec7f40cf0743c15d78fb39d8326bc029073b41ef9727da6c851f",
        "sha256:9b24afeb7c2f21e50a686ead025823cd2c6e9730c013ca77ad5f115c079b57cb",
        "sha256:4b8e2801e0f956a4220c32e2c8b0a590e6f9bd2420ec65453685246b82766ea1",
        "sha256:529cdb636f61e95ab91a62a51526a84fd7314d6aab0d414040796150b4522372",
        "sha256:9975392591f2777d6bf4d9919ad1b2c9afa12f9a9b4d260f45025ec3cc9b18ed",
        "sha256:8e5669d8329116b8444b9bbb1663dda568ede12d3dbcce950199b582f6e94952"
    ]
},

理解：

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。

一步步逐层叠加，最后形成完整的镜像

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）。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

上图中的镜像层跟之前图中的略有区别，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 的一个更新版本。

在这里插入图片描述

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[1]。

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。

在这里插入图片描述

docker 镜像下载原理

UnionFS （联合文件系统）

UnionFS（联合文件系统）：Union 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）。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（没有父镜像），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。

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。

在这里插入图片描述

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？

这是因为对于一个精简的 OS，rootfs 可以很小，只需要包含最基本的命令，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，bootfs 基本是一致的，rootfs 会有差别, 因此不同的发行版可以公用 bootfs。

容器打包镜像（commit）

提交容器的副本，让这个容器产生一个新的镜像

docker commit 容器名或容器id 镜像名:版本号

参数：

-a：等价于--author，作者信息（例如：John Hannibal Smith hannibal@a-team.com）
-m：等价于--message，提交的信息

这里我们根据 redis 镜像创建一个容器，进行修改，然后再用修改后的容器打包成一个新的镜像

[root@iZbp15293q8kgzhur7n6kvZ ~]# docker run -it redis /bin/bash
# 对容器进行修改
root@ed467c2e1bd1:/data# cp /bin/* /home
# 快捷键ctrl+p+q退出
root@ed467c2e1bd1:/data# read escape sequence
[root@iZbp15293q8kgzhur7n6kvZ ~]# docker ps
CONTAINER ID   IMAGE                 COMMAND                  CREATED              STATUS              PORTS                                                                                  NAMES
ed467c2e1bd1   redis                 "docker-entrypoint.s…"   About a minute ago   Up About a minute   6379/tcp                                                                               clever_kilby
68ef570f524e   portainer/portainer   "/portainer"             49 minutes ago       Up 49 minutes       0.0.0.0:8088->9000/tcp, :::8088->9000/tcp                                              heuristic_hopper
bad6ece44115   elasticsearch:7.8.0   "/tini -- /usr/local…"   18 hours ago         Up 18 hours         0.0.0.0:9200->9200/tcp, :::9200->9200/tcp, 0.0.0.0:9300->9300/tcp, :::9300->9300/tcp   myelastaicsearch
8d54bf57c557   nginx                 "/docker-entrypoint.…"   18 hours ago         Up 18 hours         0.0.0.0:3500->80/tcp, :::3500->80/tcp                                                  mynginx
# 重启一下容器
[root@iZbp15293q8kgzhur7n6kvZ ~]# docker restart ed467c2e1bd1
ed467c2e1bd1
# 打包成一个新的镜像newredis:1.0
[root@iZbp15293q8kgzhur7n6kvZ ~]# docker commit -a="akuya" -m="test" ed467c2e1bd1 newredis:1.0
sha256:d243afadb3b1457422129ddb1e32a338ef1d4742b9d1e9a9b069cea04696b242

这里我们可以看到，新打包的镜像多了一层sha256:d243afadb3b1457422129ddb1e32a338ef1d4742b9d1e9a9b069cea04696b242

对比原来 redis 镜像的分层

# 新newredis:1.0的镜像分层
"RootFS": {
    "Type": "layers",
    "Layers": [
        "sha256:2edcec3590a4ec7f40cf0743c15d78fb39d8326bc029073b41ef9727da6c851f",
        "sha256:9b24afeb7c2f21e50a686ead025823cd2c6e9730c013ca77ad5f115c079b57cb",
        "sha256:4b8e2801e0f956a4220c32e2c8b0a590e6f9bd2420ec65453685246b82766ea1",
        "sha256:529cdb636f61e95ab91a62a51526a84fd7314d6aab0d414040796150b4522372",
        "sha256:9975392591f2777d6bf4d9919ad1b2c9afa12f9a9b4d260f45025ec3cc9b18ed",
        "sha256:8e5669d8329116b8444b9bbb1663dda568ede12d3dbcce950199b582f6e94952",
        "sha256:9d3a71caf59342bb545421fd890b80016a4dd6ffc960a8fb11b566396530a95e"
    ]
},


"RootFS": {
    "Type": "layers",
	# 镜像分层下载的片段
    "Layers": [
        "sha256:2edcec3590a4ec7f40cf0743c15d78fb39d8326bc029073b41ef9727da6c851f",
        "sha256:9b24afeb7c2f21e50a686ead025823cd2c6e9730c013ca77ad5f115c079b57cb",
        "sha256:4b8e2801e0f956a4220c32e2c8b0a590e6f9bd2420ec65453685246b82766ea1",
        "sha256:529cdb636f61e95ab91a62a51526a84fd7314d6aab0d414040796150b4522372",
        "sha256:9975392591f2777d6bf4d9919ad1b2c9afa12f9a9b4d260f45025ec3cc9b18ed",
        "sha256:8e5669d8329116b8444b9bbb1663dda568ede12d3dbcce950199b582f6e94952"
    ]
},

可以很明显的看到新的镜像分层多了一层sha256:9d3a71caf59342bb545421fd890b80016a4dd6ffc960a8fb11b566396530a95e

所以我们可以了解到当创建一个新的镜像时，docker 会基于已有的镜像进行修改和扩展。每个修改操作都会生成一个新的层，并且这些层是按照顺序进行组织的，形成一个层次结构。每个层都只包含了与前一层的差异，这样可以节省存储空间，并且提高镜像的构建效率。

docker 镜像分层的优点

docker 镜像的分层机制带来了以下几个优点：

空间效率：由于 docker 镜像的每个层都只包含与前一层的差异，相同的层可以在多个镜像之间共享和重用。这样可以节省存储空间，尤其在使用大量镜像时非常显著。只需存储每个层的差异，而不是整个镜像，大大减少了磁盘占用。
构建效率：在构建镜像时，只需要对修改的部分创建新的层，而不需要重新复制整个镜像。这样可以大大加快镜像的构建速度，尤其当镜像层次结构复杂且包含大量文件时，效果更为明显。
可维护性：通过分层机制，docker 镜像的每个层都是只读的，不可修改。这意味着镜像的不同版本可以共享相同的底层层，只需在最上层添加新的层来表示不同的版本或修改。这样可以简化镜像的维护和更新过程，提高可维护性。
可重用性：由于镜像的每个层都可以在多个镜像之间共享和重用，可以更好地利用已有的层来构建新的镜像。这样可以提高镜像的可重用性，减少重复工作，同时也方便了镜像的分发和共享。
容器隔离性：通过每个容器都有自己的可写层，docker 可以实现容器之间的隔离性。每个容器可以独立地修改和管理自己的文件系统，而不会对其他容器或原始镜像的层产生影响。这样可以确保容器的独立性和安全性。

综上所述，docker 镜像的分层机制带来了空间效率、构建效率、可维护性、可重用性和容器隔离性等多个方面的优点，使得 docker 在容器化应用的开发和部署中具有高效性和灵活性。