第八篇：Docker镜像结构原理

bgey

一、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。
　　base 镜像的通常都是各种 Linux 发行版的 Docker 镜像，比如 Ubuntu, Debian, CentOS 等，以 CentOS 为例学习 base 镜像包含哪些内容。

下载镜像：

[root@docker ~]# docker pull centos
Using default tag: latest
latest: Pulling from library/centos
af4b0a2388c6: Pull complete
Digest: sha256:2671f7a3eea36ce43609e9fe7435ade83094291055f1c96d9d1d1d7c0b986a5d
Status: Downloaded newer image for centos:latest ##下载centos最新镜像
查看镜像信息：

[root@docker ~]# docker images centos
REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
centos              latest              ff426288ea90        4 weeks ago         207MB
　　使用docker pull centos下载最新版本的Centos镜像也就207M左右，而我们平时下载一个原生的centos镜像都是4G，对于 Docker 初学者都会有这个疑问。
　　下面来了解下Linux 操作系统由内核空间和用户空间组成，如下图所示：


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。

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：

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, /porc, /bin 等目录。
　　注：可在 Docker Hub 的镜像描述页面中查看 Dockerfile 。

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。

上图 Debian 和 BusyBox上层提供各自的 rootfs，底层共用 Docker Host 的 kernel。
　　注意：base 镜像只是在用户空间与发行版一致，kernel 版本与发型版是不同的。

[root@docker ~]# uname -r
3.10.0-514.el7.x86_64                 ##Host kernel 为 3.10.0-514
[root@docker ~]# docker run -ti centos    ##启动并进入 CentOS 容器
[root@263132669aa3 /]# cat /etc/redhat-release   ##验证容器是 CentOS 7
CentOS Linux release 7.4.1708 (Core)
[root@263132669aa3 /]# uname -r      ##容器的 kernel 版本与 Host 一致
3.10.0-514.el7.x86_64

　　说明：
　　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。

二、镜像的分层结构
　　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：

[root@docker ~]# docker pull debian
Using default tag: latest
latest: Pulling from library/debian
723254a2c089: Pull complete
Digest: sha256:800943bdddf4511392fe453a0eb66eacadf322b392c521700bcac29c0b858582
Status: Downloaded newer image for debian:latest
[root@docker ~]# docker images
REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
liulei/centos       6.7                 dc64de0c25c4        2 days ago          191MB
liulei/centos       new                 dc64de0c25c4        2 days ago          191MB
liu/ubuntu          v2                  15caed782326        2 days ago          151MB
httpd               latest              2e202f453940        13 days ago         179MB
ubuntu              16.04               0458a4468cbc        2 weeks ago         112MB
centos              latest              ff426288ea90        4 weeks ago         207MB
nginx               latest              3f8a4339aadd        6 weeks ago         108MB
debian              latest              da653cee0545        8 weeks ago         100MB
hello-world         latest              f2a91732366c        2 months ago        1.85kB
training/webapp     latest              6fae60ef3446        2 years ago         349MB

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：

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。
　　问什么 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。
　　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：不会！因为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。

三、容器的可写层
　　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”。

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。

• 读取文件
  在容器中读取某个文件时，Docker 会从上往下依次在各镜像层中查找此文件。一旦找到，打开并读入内存。
  
• 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。
  
• 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。