5、《每天5分钟玩转Docker容器技术》学习--Docker镜像
------------------------------------重要说明------------------------------------本文内容都是参考Cloudman系列进行学习，是个人学习过程记录！
原版请参考cloudman《每天5分钟玩转Docker容器技术》Cloudman博客如下：
https://blog.运维网.com/cloudman
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镜像是 Docker 容器的基石，容器是镜像的运行实例，有了镜像才能启动容器。
1. 镜像的内部结构
为什么我们要讨论镜像的内部结构？
如果只是使用镜像，当然不需要了解，直接通过 docker 命令下载和运行就可以了。
但如果我们想创建自己的镜像，或者想理解 Docker 为什么是轻量级的，就非常有必要学习这部分知识了。
我们从一个最小的镜像开始吧。
2. hello-world-最小的镜像
hello-world 是 Docker 官方提供的一个镜像，通常用来验证 Docker 是否安装成功。
我们先通过 docker pull 从 Docker Hub 下载它
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522764996623253.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
用 docker images 命令查看镜像的信息。
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765020607336.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
hello-world 镜像竟然还不到 2KB!
通过 docker run 运行。
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765042459858.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
其实我们更关心 hello-world 镜像包含哪些内容。
Dockerfile 是镜像的描述文件，定义了如何构建 Docker 镜像。Dockerfile 的语法简洁且可读性强，后面我们会专门讨论如何编写 Dockerfile。
hello-world 的 Dockerfile 内容如下：
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765068219245.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
只有短短三条指令。
1、 FROM scratch
此镜像是从白手起家，从 0 开始构建。
2、 COPY hello /
将文件“hello”复制到镜像的根目录。
3、 CMD ["/hello"]
容器启动时，执行 /hello
镜像 hello-world 中就只有一个可执行文件 “hello”，其功能就是打印出 “Hello from Docker ......” 等信息。
/hello 就是文件系统的全部内容，连最基本的 /bin，/usr, /lib, /dev 都没有。
hello-world 虽然是一个完整的镜像，但它并没有什么实际用途。通常来说，我们希望镜像能提供一个基本的操作系统环境，用户可以根据需要安装和配置软件。这样的镜像我们称作 base 镜像。
3. Base镜像
base 镜像有两层含义：
1、不依赖其他镜像，从 scratch 构建。
2、其他镜像可以之为基础进行扩展。
所以，能称作 base 镜像的通常都是各种 Linux 发行版的 Docker 镜像，比如 Ubuntu, Debian, CentOS 等。
我们以 CentOS 为例考察 base 镜像包含哪些内容。
下载镜像：
docker pull centos
查看镜像信息：
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765095687016.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765106689860.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
镜像大小不到 200MB。
等一下！
一个 CentOS 才 200MB ？
平时我们安装一个 CentOS 至少都有几个 GB，怎么可能才 200MB !
相信这是几乎所有 Docker 初学者都会有的疑问，包括我自己。下面我们来解释这个问题。
Linux 操作系统由内核空间和用户空间组成。如下图所示：
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765129689254.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
a) rootfs
内核空间是 kernel，Linux 刚启动时会加载 bootfs 文件系统，之后 bootfs 会被卸载掉。
用户空间的文件系统是 rootfs，包含我们熟悉的 /dev, /proc, /bin 等目录。
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。相比其他 Linux 发行版，CentOS 的 rootfs 已经算臃肿的了，alpine 还不到 10MB。
我们平时安装的 CentOS 除了 rootfs 还会选装很多软件、服务、图形桌面等，需要好几个 GB 就不足为奇了。
b) base 镜像提供的是最小安装的 Linux 发行版
下面是 CentOS 镜像的 Dockerfile 的内容：
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765154192909.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
第二行 ADD 指令添加到镜像的 tar 包就是 CentOS 7 的 rootfs。在制作镜像时，这个 tar 包会自动解压到 / 目录下，生成 /dev, /proc, /bin 等目录。
注：可在 Docker Hub 的镜像描述页面中查看 Dockerfile 。
a) 支持运行多种 Linux OS
不同 Linux 发行版的区别主要就是 rootfs。
比如 Ubuntu 14.04 使用 upstart 管理服务，apt 管理软件包；而 CentOS 7 使用 systemd 和 yum。这些都是用户空间上的区别，Linux kernel 差别不大。
所以 Docker 可以同时支持多种 Linux 镜像，模拟出多种操作系统环境。
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765178554311.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
上图 Debian 和 BusyBox（一种嵌入式 Linux）上层提供各自的 rootfs，底层共用 Docker Host 的 kernel。
这里需要说明的是：
1、base 镜像只是在用户空间与发行版一致，kernel 版本与发行版是不同的。
例如 CentOS 7 使用 3.x.x 的 kernel;
如果 Docker Host 是 Ubuntu 16.04（比如我们的实验环境），那么在 CentOS 容器中使用的实际是是 Host 4.x.x 的 kernel(容器的kernel以宿主机kernel一致)。
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765205870764.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
①Host kernel 为 4.4.0-31
② 启动并进入 CentOS 容器
③ 验证容器是 CentOS 7
④ 容器的 kernel 版本与 Host 一致
2、容器只能使用 Host 的 kernel，并且不能修改。
所有容器都共用 host 的 kernel，在容器中没办法对 kernel 升级。如果容器对 kernel 版本有要求（比如应用只能在某个 kernel 版本下运行），则不建议用容器，这种场景虚拟机可能更合适。
4. 镜像的分层结构（镜像层和容器层）
Docker 支持通过扩展现有镜像，创建新的镜像。
实际上，Docker Hub 中 99% 的镜像都是通过在 base 镜像中安装和配置需要的软件构建出来的。比如我们现在构建一个新的镜像，Dockerfile 如下：
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765230430106.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
① 新镜像不再是从 scratch 开始，而是直接在 Debian base 镜像上构建。
② 安装 emacs 编辑器。
③ 安装 apache2。
④ 容器启动时运行 bash。
构建过程如下图所示：
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765254877995.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
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。
为什么 Docker 镜像要采用这种分层结构呢？
最大的一个好处就是 - 共享资源。
比如：有多个镜像都从相同的 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。而且镜像的每一层都可以被共享，我们将在后面更深入地讨论这个特性。
这时可能就有人会问了：如果多个容器共享一份基础镜像，当某个容器修改了基础镜像的内容，比如 /etc 下的文件，这时其他容器的 /etc 是否也会被修改？
答案是不会！
修改会被限制在单个容器内。
这就是我们接下来要学习的容器 Copy-on-Write 特性。
5. 可写的容器层（Copy-on-Write）
当容器启动时，一个新的可写层被加载到镜像的顶部。
这一层通常被称作“容器层”，“容器层”之下的都叫“镜像层”。
https://s1.运维网.com/images/20180403/1522765295110378.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
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。
只有容器层是可写的，容器层下面的所有镜像层都是只读的。
下面我们深入讨论容器层的细节。
镜像层数量可能会很多，所有镜像层会联合在一起组成一个统一的文件系统。如果不同层中有一个相同路径的文件，比如 /a，上层的 /a 会覆盖下层的 /a，也就是说用户只能访问到上层中的文件 /a。在容器层中，用户看到的是一个叠加之后的文件系统。
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，并且容器层没有此文件，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。
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。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。
这样就解释了我们前面提出的问题：容器层记录对镜像的修改，所有镜像层都是只读的，不会被容器修改，所以镜像可以被多个容器共享。
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本文内容都是参考Cloudman系列进行学习，是个人学习过程记录！
原版请参考cloudman《每天5分钟玩转Docker容器技术》Cloudman博客如下：
https://blog.运维网.com/cloudman
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书籍：
1.《每天5分钟玩转Kubernetes》
https://item.jd.com/26225745440.html
2.《每天5分钟玩转Docker容器技术》
https://item.jd.com/16936307278.html
3.《每天5分钟玩转OpenStack》
https://item.jd.com/12086376.html
https://i.imgsafe.org/68/68da21ce15.png
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