引言

容器非常神奇。它们允许简单的进程表现得像虚拟机。在这种优雅的底层是一组模式和实践，最终使一切运作起来。在设计的根本是层。层是存储和分发容器化文件系统内容的基本方式。这种设计既出人意料地简单，同时又非常强大。在今天的帖子^[1]中，我将解释什么是层以及它们的概念性工作原理。

构建分层镜像

创建映像时，通常使用 Dockerfile 来定义容器的内容。它包含一系列命令，例如：

FROM scratch
RUN echo "hello" > /work/message.txt
COPY content.txt /work/content.txt
RUN rm -rf /work/message.txt

在底层，容器引擎将按顺序执行这些命令，为每个命令创建一个“层”。但真正发生了什么？最简单的想法是将每个层视为一个目录，其中包含所有修改过的文件。

让我们通过一个可能的实现方法来逐步了解。

1. FROM scratch 表示此容器从无内容开始。这是第一层，它可以用一个空目录表示，例如 /img/layer1。
2. 创建第二个目录，/img/layer2，并将 /img/layer1 中的所有内容复制到其中。然后，执行 Dockerfile 中的下一个命令（该命令将文件写入 /work/message.txt）。这些内容被写入到 /img/layer2/work/message.txt。这是第二层。
3. 创建第三个目录，/img/layer3，将 img/layer2 中的所有内容复制到其中。下一个 Dockerfile 命令要求将 content.txt 从主机复制到该目录。该文件被写入到 /img/layer3/work/content.txt。这是第三层。
4. 最后，创建第四个目录，/img/layer4，将 img/layer3 中的所有内容复制到其中。下一个命令删除了消息文件，img/layer4/work/message.txt。这是第四层。

要共享这些层，最简单的方法是为每个目录创建一个压缩的 .tar.gz 文件。为了减少总文件大小，任何未修改的来自前一层的数据的文件将被删除。为了清楚地标记文件何时被删除，可以使用“whiteout file”作为占位符。文件只是将 .wh. 作为前缀添加到原始文件名。例如，第四层将用名为 .wh.message.txt 的占位符替换已删除的文件。当层被解压时，任何以 .wh. 开头的文件都可以被删除。

继续我们的例子，压缩文件将包含：

以这种方式构建大量镜像将导致产生许多“layer1”目录。为确保名称唯一性，压缩文件的命名基于内容的摘要。这与 Git 的工作方式类似。它的好处在于，可以在下载文件时识别相同的内容，并识别文件的任何损坏。如果内容的摘要与文件名不匹配，则文件已损坏。

为了使结果可复现，还需要一个额外的文件——一个解释如何排序层的文件（清单）。清单将识别哪些文件需要下载以及解压它们的顺序。这使得可以重新创建目录结构。它还提供了一个重要的好处：层可以在镜像之间重用和共享。这最小化了本地存储需求。

在实践中，还有更多的优化可用。例如，FROM scratch 的真正含义是没有父层，因此我们的例子实际上是从 layer2 的内容开始的。引擎还可以查看构建中使用的文件，以确定是否需要重新创建层。这是层缓存的基础，它最小化了构建或重新创建层的需求。作为额外的优化，不依赖前一层的层可以使用 COPY --link 指示该层不需要删除或修改前一层的任何文件。这允许压缩层文件与其他步骤并行创建。