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本节详细讲解了docker镜像原理；主要内容包括：docker镜像原理、自定义docker镜像的实现原理、docker镜像分层的原因、可写容器层等。
文章目录
- 一、在开发中，docker具体解决了什么问题
- 二、详解docker镜像原理
- 三、自定义docker镜像的实现原理
- 四、Docker为什么要进行镜像分层
- 五、可写容器层
一、在开发中，docker具体解决了什么问题
在我们日常开发过程中，肯定要用到各种开发软件，比如mysql、vscode、kafka、nginx等等；假设我们的开发环境是Windows，如下图所示：
我们所有开发所需要的软件环境都安装在了宿主机上，那么我们可能会遇到以下麻烦：
- 1、环境不兼容，比如有些软件需要运行在linux下，但是咱们现在的环境是Windows，所以只能去安装一个vmware虚拟机，或者购买一个云服务器，用来安装所需软件；
- 2、会讲我们当前系统的环境，搞个一团糟；比如全装在了C盘，C盘又满了，岂不是非常头疼；
- 3、再有，万一我们想卸载这些工具，万一不会卸载，更麻烦了。
- 4、软件环境不方便迁移；比如我们当前是在Windows开发了mysql，并且进行了一系列的配置；但是有需求需要将mysql里面的数据以及配置等完整的迁移到linux上使用，那这从Windows迁移到linux就相当麻烦了。
而使用docker就彻底解决了以上的问题。
使用docker后，我们的开发环境如下图所示：
我们只需要在Windows开发环境中装上docker，我们可以将每个开发软件运行在单独的容器中，比如mysql运行在容器1，kafka运行在容器2，elk运行在容器3，redis运行在容器4；这样的好处是啥呢？
- 1 解决了环境的兼容问题，在容器中运行linux发行版，以及各种软件，即【Windows+docker+容器1（centos）+容器2（ubuntu）】；
- 2 环境很干净，我们安装的所有内容，都在容器里，如果不想要了，直接删除容器即可，不影响我们宿主机的环境；
- 3 方便进行迁移；比如我们想要把mysql容器内的数据，配置，全部迁移到服务器上，只需要提交该容器，生成镜像；再将该镜像pull到我们需要迁移到的目标服务器上，docker run，就可以恢复我们在Windows上的开发环境了，且数据配置全都在；是不是很方便。
二、详解docker镜像原理
我们知道，一个完整的docker镜像可以创建出docker容器的运行，例如一个centos:7.8.2003镜像文件，可以通过 docker run + 镜像id运行出一个centos7.8.2003的容器；下面我们来看一下这个镜像：
可以看到，该镜像的大小只有203MB，那么问题来了，为什么之前我们在装centos系统的时候，使用的iso镜像文件有好几个G，而docker里centos的镜像只有203M呢？原因就是docker里获取的centos镜像并不是一个完整的操作系统，docker镜像里只包括centos发行版，而不包括linux内核，所以只有203M（完成的镜像由linux内核+centos发行版组成），内核使用宿主机的内核；
docker的架构，镜像就是一个【发行版】的作用，所以我们需要准备好一个linux内核，然后上层使用不同的【发行版】就好了；这样我们就可以共用一个linux内核，自由的的使用各种不同的版本系操作统，实现兼容多种环境。
下面我们看一下docker镜像原理图（分层原理），以tomcat镜像为例，原理图如下图所示：
下面详细解释一下图中各个分层：
- 1 首先我们看最底层的
bootfs：Bootfs全名boot-file system，即引导文件系统；主要包含bootloader（系统加载）和kernel（内核）；bootloader主要用于引导加载kernel，kernel内核主要是宿主机提供的linux内核。Linux刚启动时会加载bootfs文件系统，也就是加载宿主机的linux内核。所以，我们的docker容器在运行时，第一步就是加载宿主机的linux内核。linux内核加载完成后，就会启动第二层。 - 2 第二层是叫
Rootfs，即root-file system；Rootfs在bootfs之上，包含的就是典型的linux系统中/dev、/proc、/etc等标准目录和文件；rootfs就是各种不同操作系统的发行版，比如ubuntu、centos等；所以，第二步就是由Rootfs，负责docker获取基础镜像；即进行完第二步，我们就获取到了基础的linux发行版（比如是centos还是ubuntu等），例如我们本例中获取的就是centos发行版。 - 3、4 第三层和第四层是
依赖层，我们在依赖层就可以定制化安装我们所需要的各种依赖环境了；此容器是用来运行什么的，我们就得安装什么依赖了。比如我们的镜像是用来运行tomcat的，而tomcat想要运行，就必须得先有jdk环境（java环境），即第三层安装jdk，安装完jdk后才能去第四层安装tomcat；tomcat也装好了后，必须得放入文件才能运行，这个文件时需要我们自己写的；所以最后一层就是容器层（container层）。 - 5 第五层即最后一层是容器层（container层），它的作用是就是本容器所要实现的具体功能了；比如在本例中就是运行具体的tomcat程序。
注意：第1、2、3、4层是只读的，是只读镜像，是不能修改的；而第5层容器层是可读可写的；
如上所提到的这5层就构成了tomcat镜像，那如何确定该镜像都包括哪几层呢？该镜像的这几层是怎么关联起来的呢，或者说是怎么一步一步，一层一层的构建出来的呢？那就是dockerfile，dockerfile的作用就是自定义docker镜像每一层。
现在我们知道了，我们pull下来的centos镜像其实包含多层镜像文件的，但是在我们pull的时候，从外面看起来像是只下载了一个镜像文件，这是怎么实现的呢？其实是通过Union File System（联合文件系统）实现的，docker通过联合文件系统，将上图中的每一层，整合为一个文件系统，为我们用户隐藏了多层的视角；所以最后在我们看起来只是用了一个镜像，即docker images看到的镜像，然后我们用docker run 镜像id就可以运行此容器了。
总结：
1、当通过一个image启动容器时，docker会在该image的最顶层（也就是容器层）添加一个读写文件系统作为容器，然后运行该容器。
2、docker镜像的本质是基于UnionFS管理的分层文件系统。
3、dockerfile的作用：dockerfile就是用于自定义docker镜像的每一层。
4、docker镜像为什么才几百兆？
答案：因为docker镜像只有rootfs和其他镜像层，不包含linux内核bootfs；而是共用宿主机的linux内核bootfs，因此docker镜像很小。
5、为什么下载一个docker的nginx镜像，需要141MB？nginx安装包不是才几兆大小吗？
答案：因为我们需要基于nginx镜像运行出一个nginx容器；nginx是一个软件，它必须依赖于操作系统才能运行，而一个操作系统是由（linux内核+发行版）两部分组成的；首先，在Linux宿主机上，提供了linux内核（当然如果是在Windows上跑的docker，那这里的内核就是Windows内核）；然后利用docker下载镜像（镜像提供了发行版：centos）；最后该nginx就可以运行在该centos发行版环境中了。所以整体结构是Linux（或者Windows）+【docker+centos+nginx】。
docker的nginx镜像是分层的，nginx安装包的确就几兆大小，但是一个用于运行nginx的镜像文件，依赖于父镜像（图中的3、4依赖环境）和基础镜像（发行版），所以下载的nginx镜像有一百多兆。
三、自定义docker镜像的实现原理
经过上面的学习我们已经知道了，docker镜像不包含linux内核，和宿主机共用；所以如果想要自定义一个镜像，还得安装需要发行版；那么我们来看一下，我们已有的容器，他们所依赖的发行版都是什么呢？以nginx为例看一下吧：
我们使用docker images查看一下我们当前系统上的所有镜像文件：
可以看到，上面每个镜像文件都是一个完整的docker镜像文件；我们运行一下nginx
docker run -d -p 80:80 nginx[root@localhost acl]# docker run -d -p 80:80 nginx
d9f8b942ef91b5c7993362787d5bd4ad4d34a5fe4ad69028949f9fd89982853f
docker: Error response from daemon: driver failed programming external connectivity on endpoint affectionate_villani (3c099ee78f0738fdb0e806ca38fcd4d31c4e1253c359880891e07982295b214a): Bind for 0.0.0.0:80 failed: port is already allocated.发现报错80端口已经被占用了；哦对，之前我们已经运行过nginx了，那就docker ps看一下：
确实是nginx容器在运行。
nginx是一个软件，它要想运行，必须运行在一个发行版上，即必须依赖于一个发行版；那咱们现在运行的nginx到底运行在什么样的系统环境中呢？或者说它哪个发行版上的？我们进入到正在运行的nginx容器看一下：
# 进入到正在运行的容器内，命令使docker exec
# 2f5cdfebdd90是我nginx容器id
docker exec -it 2f5cdfebdd90 bash
可以发现已经进入2f5cdfebdd90（nginx容器）内部了；然后查看一下该容器所依赖的发行版：
可以看到，运行着的nginx软件的基础系统环境（基础发行版）是Debian发行版系统；所以nginx镜像的生成过程大致如下：
- 获取基础镜像，选择Debian发行版平台；
- 在Debian镜像中安装nginx软件。
好了，那我们知道如何自定义一个自己的镜像，首先内核我们已经有了（和宿主机共用），还需要选择一个发行版平台；所以自定义镜像的步骤如下：
我们以自定义一个centos 的mysql5.6镜像为例：
- 获取基础镜像，选择一个发行版平台（centos）
- 在centos镜像中安装mysql5.6软件
- 导出镜像，我们将其命名为mysql:5.6镜像文件。
从这个过程中，我们可以感到出这是一层一层的添加的，docker镜像的层级概念就出来了，底层是centos镜像，上层是mysql镜像，centos镜像属于mysql的父镜像。
docker的层级概念图如下图所示：
首先第一张图是我们nginx镜像的第一层：最下面的是bootfs，用于加载内核Kernel（我们这里的例子是nginx内核，当然如果你是在Windows上跑的docker，那这里内核就是Windows内核）；在bootfs之上的是基础镜像Debian（当然如果我们自定义一个镜像时也可以将其定义为centos或ubuntu），该基础镜像使用的是rootfs文件系统；
然后到了第二张图，就是在第一层的基础上又添加了一层，用来安装所需要的依赖镜像，比如add emacs；
最后在第三张图，就是在第二层的基础上又添加了一层，用来安装具体要运行的软件，比如Apache软件；
因此，docker镜像是在指定了基础的发行版镜像层之后，再逐层的进行添加，比如安装软件的层，配置软件的层等，最后构建出来一个完整的镜像；在后续我们使用Dockerfile自定义镜像时，我们的每一个指令都会单独的构建出一个docker层。
这种层级的现象在学习dockerfile构建的时候，将更加的清晰；
四、Docker为什么要进行镜像分层
镜像分层的一大好处就是共享资源，例如有多个镜像都来自于同一个base镜像，那么docker host只需要存储一份base镜像即可。
共享资源怎么理解呢？
假设我们现在有3个容器，它们都需要基于centos镜像，如果我们没有分层的结构，那么这三个容器，都必须要包含一个独立的centos镜像，如下图所示：
那这样，如果运行三个容器，每个包含一个独立的centos镜像，即每个容器的进程都要单独去开辟100M空间去存放centos镜像；就占用了三百兆空间；而这三个centos镜像是一模一样的，就相当于内存里有一个资源重复占用了三次，这样显然是不合理的；
所以如果有分层的结构，一个基础镜像层可以给三个容器去使用，即内存里只需要加载一份centos镜像，只占用100M空间；如下图
所以镜像分层可以共享资源；即内存里也只需要加载一份host，就可以为多个容器服务。
另外，即使多个容器共享一个base镜像，某个容器修改了base镜像的内容，例如修改了/etc下配置文件，其他容器下的/etc/下的内容是不会被修改的，修改动作只限制在单个容器内，这就是容器的写入时复制特性（Copy-on-write），如下图所示：
比如此时容器1修改了/ect/passwd文件，就相当于修改了centos基础镜像里的文件；但是我们前面讲过，除了docker容器层之外，其他层都是只读的，不允许被修改；所以，容器1修改/ect/passwd文件，是不会修改base image基础镜像层的，其实改的是最顶层的可写层的容器层，这也就是我们下面要讲的内容；
五、可写容器层
当基于一个镜像启动了一个容器后，一个新的可写层被加载到镜像的顶部，这一层被称为容器层，容器层下的层都称为镜像层。
如上图所示，只有最顶层的容器层（container）是可写的，即可写的容器层；容器层以下的所有层都是只读的镜像层，均只读，不可修改。所有对容器的修改动作，都只会发生在容器层里。
具体的操作过程如下表所示：
从表中可以看出，只要当需要修改某一个文件时，才会将该文件从镜像层复制一份到容器层进行修改，所以我们修改的其实是容器层从镜像层复制上来的备份文件，真正的系统层的该文件是不会被修改的；这种特性被称作写时复制特性（Copy-on-Write）。可见，容器层保存的是镜像变化的部分，不会对镜像层本身进行任何修改。当然，如果我们要删除一个镜像层已有的文件时，真正镜像层的该文件也不会被删除，只是在容器层记录一下对该文件的删除操作。
这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。
