11. Docker镜像详解

11.1. 什么是镜像？

Docker的镜像概念类似于虚拟机里的镜像，是一个只读的模板，一个独立的文件系统，包括运行容器所需的数据，可以用来创建新的容器。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要的所有内容，包括：代码、运行环境（jdk）和库（jre）、环境变量和配置文件。

例如：一个镜像可以包含一个完整的 linux 操作系统环境，里面仅安装了Mysql或用户需要的其它应用程序。

简单点说：镜像不是单一的文件：而是有多层构成，我们可以通过 docker history 镜像名|id 查看镜像中各层内容及大小，每层都对应着Dockerfifile中的一条指令。Docker镜像默认存在/var/lib/docker/中。

镜像从何而来：

  • 从远程仓库下载（例如：DockerHub）
    • Docker Hub是由docker公司负责和维护的公共注册中心，包含大量的镜像文件，Docker客户端工具默认从这个公共镜像仓库下载镜像， 远程仓库地址：https://hub.docker.com/
  • 从朋友那边拷贝过来
  • 自己制作一个镜像 DockerFile

11.2. Docker镜像加载原理

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的镜像实际上是由一层一层的文件系统组成，这种层级的文件系统称之为：UnionFS（联合文件系统）。

**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。

bootfs类似电脑中的引导程序，拿电脑开机来说：从关机状态--->引导程序启动---->进入系统界面；这里面的【引导程序启动】就类似bootfs的作用，启动成功之后，这个程序就没用了，并且这个引导程序是共用的。

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。 image202202121948.png

平时我们安装虚拟机的CentOS都是好几个G，为什么docker这里才200M？

[root@iZ8vb6lqqya4rvreq9ra6gZ ~]# docker images centos
REPOSITORY   TAG       IMAGE ID       CREATED        SIZE
centos       latest    5d0da3dc9764   4 months ago   231MB

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，因为底层直接用Host的kernel，自己只需要提供rootfs就行了。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共用bootfs。

11.3. 理解分层

以我们的pull为例，在下载的过程中我们可以看到docker的镜像好像是在一层一层的在下载。

以docker pull redis 为例： image202202122007.png

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，那么宿主机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。

使用命令docker inspect redis可以查看镜像的详细信息，如下：

[root@iZ8vb6lqqya4rvreq9ra6gZ ~]# docker inspect redis
[
    {
        "Id": "sha256:7614ae9453d1d87e740a2056257a6de7135c84037c367e1fffa92ae922784631",
        "RepoTags": [
            "redis:latest"
        ],
        "RepoDigests": [
            "redis@sha256:db485f2e245b5b3329fdc7eff4eb00f913e09d8feb9ca720788059fdc2ed8339"
        ],
        "Parent": "",
        "Comment": "",
        "Created": "2021-12-21T12:42:49.755107412Z",
        "Container": "13d25f53410417c5220c8dfe8bd49f06abdbcd69faa62a9b877de02464bb04a3",
        "ContainerConfig": {
            "Hostname": "13d25f534104",
            "Domainname": "",
            "User": "",
            "AttachStdin": false,
            "AttachStdout": false,
            "AttachStderr": false,
            "ExposedPorts": {
                "6379/tcp": {}
            },
            "Tty": false,
            "OpenStdin": false,
            "StdinOnce": false,
            "Env": [
                "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin",
                "GOSU_VERSION=1.12",
                "REDIS_VERSION=6.2.6",
                "REDIS_DOWNLOAD_URL=http://download.redis.io/releases/redis-6.2.6.tar.gz",
                "REDIS_DOWNLOAD_SHA=5b2b8b7a50111ef395bf1c1d5be11e6e167ac018125055daa8b5c2317ae131ab"
            ],
            "Cmd": [
                "/bin/sh",
                "-c",
                "#(nop) ",
                "CMD [\"redis-server\"]"
            ],
            "Image": "sha256:e093f59d716c95cfce82c676f099b960cc700432ab531388fcedf79932fc81ec",
            "Volumes": {
                "/data": {}
            },
            "WorkingDir": "/data",
            "Entrypoint": [
                "docker-entrypoint.sh"
            ],
            "OnBuild": null,
            "Labels": {}
        },
        "DockerVersion": "20.10.7",
        "Author": "",
        "Config": {
            "Hostname": "",
            "Domainname": "",
            "User": "",
            "AttachStdin": false,
            "AttachStdout": false,
            "AttachStderr": false,
            "ExposedPorts": {
                "6379/tcp": {}
            },
            "Tty": false,
            "OpenStdin": false,
            "StdinOnce": false,
            "Env": [
                "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin",
                "GOSU_VERSION=1.12",
                "REDIS_VERSION=6.2.6",
                "REDIS_DOWNLOAD_URL=http://download.redis.io/releases/redis-6.2.6.tar.gz",
                "REDIS_DOWNLOAD_SHA=5b2b8b7a50111ef395bf1c1d5be11e6e167ac018125055daa8b5c2317ae131ab"
            ],
            "Cmd": [
                "redis-server"
            ],
            "Image": "sha256:e093f59d716c95cfce82c676f099b960cc700432ab531388fcedf79932fc81ec",
            "Volumes": {
                "/data": {}
            },
            "WorkingDir": "/data",
            "Entrypoint": [
                "docker-entrypoint.sh"
            ],
            "OnBuild": null,
            "Labels": null
        },
        "Architecture": "amd64",
        "Os": "linux",
        "Size": 112682493,
        "VirtualSize": 112682493,
        "GraphDriver": {
            "Data": {
                "LowerDir": "/var/lib/docker/overlay2/815105070bcc0e9c15229319c8d5c7c42b9371df25768a12cc02843f8d1a23e8/diff:/var/lib/docker/overlay2/f34043bb40e4d1e2caf18f2503d502002885d920b541496977540999b18e10cc/diff:/var/lib/docker/overlay2/7e4def935a3efe314e3843542e21ea2572a4aa469245489e545991cb8a6edd8f/diff:/var/lib/docker/overlay2/645ea8ca0606f6e67388034c5d20fa5b2dc56f3b173b0747a4349417a4d8732b/diff:/var/lib/docker/overlay2/c75ff0634d0305bed78a35ad87b8bfe978620d599b6bbd8fb82bf2d0bfd9d4bf/diff",
                "MergedDir": "/var/lib/docker/overlay2/d492f7092ccdfb11d5585fdc43bc771cad0628f656284960d358ea5abfaa3505/merged",
                "UpperDir": "/var/lib/docker/overlay2/d492f7092ccdfb11d5585fdc43bc771cad0628f656284960d358ea5abfaa3505/diff",
                "WorkDir": "/var/lib/docker/overlay2/d492f7092ccdfb11d5585fdc43bc771cad0628f656284960d358ea5abfaa3505/work"
            },
            "Name": "overlay2"
        },
        "RootFS": {
            "Type": "layers",
            "Layers": [
                "sha256:2edcec3590a4ec7f40cf0743c15d78fb39d8326bc029073b41ef9727da6c851f",
                "sha256:9b24afeb7c2f21e50a686ead025823cd2c6e9730c013ca77ad5f115c079b57cb",
                "sha256:4b8e2801e0f956a4220c32e2c8b0a590e6f9bd2420ec65453685246b82766ea1",
                "sha256:529cdb636f61e95ab91a62a51526a84fd7314d6aab0d414040796150b4522372",
                "sha256:9975392591f2777d6bf4d9919ad1b2c9afa12f9a9b4d260f45025ec3cc9b18ed",
                "sha256:8e5669d8329116b8444b9bbb1663dda568ede12d3dbcce950199b582f6e94952"
            ]
        },
        "Metadata": {
            "LastTagTime": "0001-01-01T00:00:00Z"
        }
    }
]

从上面找到RootFS里面也有一个Layers ，Layers 就是redis镜像的分层信息。

深入理解：

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。无论这个镜像有多少层，对内每层的中间镜像都是各自独立的，对外他们又是一个统一的整体。

如下图：假如基于linux创建一个新的惊喜，这就是新惊喜的第一层；如果在该镜像中，添加jdk，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tomcat，就会创建第三个镜像层。（这只是一个用于演示说明的简单例子） image202202122046.png

在添加额外镜像层的同时，镜像始终是保持当前所有镜像的组合，理解这一点非常重要。如下图：第一层镜像、第二层镜像分别包含3个文件，而最外层的（大）镜像包含了来自两个镜像层的6个文件。 image202202122102.png

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，其实文件7时文件5的一个更新版本。 image202202122113.png

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的镜像层，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，每种存储引擎都对应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特的性能特点。

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。 image202202131814.png

特点

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。 这一层通常被称作为"容器层"，“容器层”之下的都叫"镜像层"。

如下图： image202202131830.png

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