一文了解docker镜像原理

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通过前文的讲解对Docker有了基本认识之后，我们开始进入实战操作，本文先演示Docker三要素之镜像原理和相关命令。

本文的演示环境仍然沿用上一篇文章在本地Centos7中安装的环境，如果你本地没有搭建Docker环境，也可以直接使用前文提到的Docker练习场(play-with-docker)在线进行练习。

在正式开始之前，我们先回顾下几个常用的命令，尤其是Docker帮助命令是掌握众多命令的万能钥匙，一定要多用。

一、Docker帮助命令

1.1 查看Docker版本命令

查看Doceker版本信息可以使用docker version命令或-v参数(–version)，其中-v参数是–version的缩写。

docker -v

[root@docker ~]# docker -v Docker version 19.03.6, build 369ce74a3c

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docker –version

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧![root@docker ~]# docker --version Docker version 19.03.6, build 369ce74a3c

docker version

[root@docker ~]# docker version Client: Docker Engine - Community Version:           19.03.6 API version:       1.40 Go version:       go1.12.16 Git commit:       369ce74a3c Built:             Thu Feb 13 01:29:29 2020 OS/Arch:           linux/amd64 Experimental:     false Server: Docker Engine - Community Engine: Version:         19.03.6 API version:     1.40 (minimum version 1.12) Go version:       go1.12.16 Git commit:       369ce74a3c Built:           Thu Feb 13 01:28:07 2020 OS/Arch:         linux/amd64 Experimental:     false containerd: Version:         1.2.10 GitCommit:       b34a5c8af56ec35414db4c1f4fa runc: Version:         1.0.0-rc8+dev GitCommit:       3e425f80a8c931f88e6d94a8c831b9d5aa docker-init: Version:         0.18.0 GitCommit:       fec3683

1.2 查看Docker详细信息命令

我们还可以使用docker info命令查看docker相关的更广泛的操作系统范围内的信息

docker info

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧![root@docker ~]# docker info Client: Debug Mode: false Server: Containers: 1 Running: 0 Paused: 0 Stopped: 1 Images: 1 Server Version: 19.03.6 Storage Driver: devicemapper Pool Name: docker-253:1--pool ...省略部分内容 Docker Root Dir: /var/lib/docker ...省略部分内容 [root@docker ~]#

显示内容太多了，我省略了一部分，其中可以查看容器总数、有多少容器在运行、有多少容器已经停止、镜像总数以及内存、容量等信息。

1.3 万能帮助命令

命令何其多，不一定能全记住，也没必要全记住。就像可以在Linux下可以通过man命令查看各个命令的用法一样，Docker也提供了帮助命令。

docker –help

[root@docker ~]# docker --help Usage: docker [OPTIONS] COMMAND ...省略

里边包含了每个命令的各种详细用法，根据需要查询即可。

二、Docker镜像原理

前文已提到Docker三要素：镜像、容器、仓库。镜像是最基础的，就像我们在做面向对象编程开发时写的实体类，只有有了类才能生成实例对象。接下来我们分析下镜像的原理和特点。

2.1 Docker镜像原理及UnionFS

2.1.1 Docker镜像是什么

我们搞技术不像搞数据公式，要明确给事物一个非常严苛的名称。对于一门技术的命名或定义，个人认为只要理解就好，至于名称你可以任意给他取。

我给Docker的定义是一个轻量级可运行的独立软件包，只不过这个软件包除了包含我们自己开发的业务代码软件之外，还包含了运行该软件所需的所有环境，也就是他包含了代码、运行时环境、库、配置文件等等软件运行所需的所有内容。

2.1.2 Docker镜像原理

Docker镜像本质就是一个文件，底层依赖于联合文件系统（UnionFS）。

• 什么是UnionFS？

UnionFS是一种分层、轻量级、高性能的文件系统，支持对文件系统的修改作为一次提交来层层叠加。这很类似于我们生活中的千层饼或鸡蛋，由蛋黄、蛋清、蛋壳一层一层的最终构成了一个鸡蛋。

• UnionFS的特性

联合文件系统最大特点就是分层和联合加载。

在加载时可以一次同时加载多层文件系统，通过联合加载把各层文件系统叠加起来，从外部看只能看到一个文件系统，最终的文件系统保护所有底层的文件和目录。

• Docker镜像分层结构及加载原理

由于docker镜像底层采用联合文件系统，自然而然docker镜像也是分层的。docker采用的联合文件系统为aufs (advanced multi layered unification filesystem)，是一种可堆叠的联合文件系统。

按照docker官网的说法，docker文件系统分为两层：bootfs和rootfs。

bootfs层

bootfs包含了bootloader和linux内核，用户是不能对这层作任何修改的，在内核启动之后，bootfs实际上会unmount掉。

rootfs则包含了一般系统上的常见目录结构，类似于/dev, /proc, /bin等等以及一些基本的文件和命令。

rootfs层

对于linux上不同版本的问题，docker可以同时运行多个rootfs。

Docker的文件系统是分层的，它的rootfs在mount之后会转为只读模式， Docker在它上面添加一个新的文件系统，来达成它的只读。由于共享一个内核，这也是为什么docker比虚拟机消耗资源更少的根本原因。

images层

从下图中，我们能看到多个只读的文件系统，Docker中把他们称为层。image是只读的，container部分则是可写的。如果用户想要修改底层只读层上的文件，这个文件就会被先拷贝到上层，修改后驻留在上层，并屏蔽原有的下层文件。

container层

最后一部分是容器(container)， 容器是可读写的。

在系统启动时，Docker会首先一层一层的加载image，直到最先面的base image，这些image都是只读的。最后，在最上层添加可读写的一个容器， 这里存放着诸如unique id，网络配置之类的信息。

既然是可读写的，就会有状态。容器共有两种状态：running 和 exited。用户也可以用docker commit 命令将一个容器压制为image，供后续使用。

• docker镜像为什么要分层

docker镜像采用基于联合文件系统的分层结构主要是为了共享公用文件，除了节约存储空间，还能实现对文件的高效管理。

镜像可以通过分层来进行继承，基于父镜像可以制作各种具体的应用镜像。如果你有面向对象编程语言的开发经验，这就很好理解，它类似于继承与多态，子类可以继承父类功能并能派上新功能。

关于镜像的分层，在使用后续的docker pull命令时可以很好的进行验证。比如使用docker pull命令下载一个mysql镜像，将会看到是一层一层的下载。另外如果不同镜像包含相同的公用部分（层），假设之前已经下载过包含了公用层的镜像的话，再下载包含公用层的其他镜像，会提示这些公用层已经存在于本地了，这个镜像的下载过程就不在去下载公用层，整个过程就会明显快很多。

2.2 Docker镜像的特点

由于docekr镜像采用了联合文件系统，因此也继承了联合文件系统过的特点。

总结起来就是：分层、只读、可继承，如前所述，镜像是一层一层叠加起来，并且是只读的，子镜像可以继承父镜像并派生出新的镜像。

镜像是只读的，但是当我们基于镜像创建容器是希望能进行读写操作，那是怎么做到的呢？

当一个docker容器启动时，一个新的可写层被加载到镜像顶部，这一层称为“容器层”，容器层下边是“镜像层”，我们读写操作都是在容器层进行，我们的程序也是运行在这一层的。

2.3 Docker架构图

我们之前已经执行了一些命令，这些命令的执行流程是怎么样的呢？先要搞清楚Docker的架构以及命令执行过程，我们才能更好的使用docker。

Docker架构图

从官方的架构图中可以看到主要包含几个部分：客户端Client、Docker daemon、仓库Registry。

我们输入命令的工具称之为客户端Client，当我们在客户端输入命令时，命令会发送到docker所在主机的daemon进程，由该进程执行命令。当执行的是创建容器的命令时，如果对应的镜像不存在于本地，那么daemon会向远程docker仓库请求下载镜像，等镜像下载到本地后在创建容器。

下图包含了docker的镜像、容器、仓库相关的命令，接下来主要演示与镜像相关的命令，其他的命令将在后续的文章中继续演示。

docker命令图

ps:这部分内容比较抽象，可以先大概了解，经过后边的学习之后再返回来看就会有更深刻的理解。

三、Docker镜像常用命令

3.1 查看本地镜像

命令格式：

docker images [选项] [仓库:版本]

参数：

参数作用-a即–all，查看所有本地镜像（默认情况不显示中间镜像）-q只显示镜像id–digests显示摘要–no-trunc不截断输出（默认显示的镜像id为12位）

可以使用docker images –help或man docker images查看具体的用法和各项参数的意义，并且支持tab补全命令。

案例：

[root@docker ~]# docker images REPOSITORY         TAG                 IMAGE ID           CREATED             SIZE hello-world         latest             fce289e99eb9       14 months ago       1.84kB [root@docker ~]# docker images -q fce289e99eb9

输出标题中各项的含义：

REPOSITORY：镜像名称，用于标识镜像

TAG：版本号

IMAGE ID ：镜像ID，与镜像名称一样，可以唯一标识一个镜像

CREATED ：镜像创建日期

SIZE：镜像大小

3.2 查看远程仓库中的镜像

命令格式：

docker search [选项] 镜像名称

参数：

参数作用-f或–filter根据指定条件过滤–limit限制最多返回的条数–no-trunc不截断输出

案例：

（1）查询点赞数大于等于5000的mysql镜像

[root@docker ~]# docker search -f=stars=5000 mysql NAME               DESCRIPTION                                     STARS               OFFICIAL           AUTOMATED mysql               MySQL is a widely used, open-source relation…   9164               [OK]                 [root@docker ~]# 

你可以先自行执行docker search命令，什么参数都不加，然后对比一下结果。本例中是在Docker Hub上查找stars星级数大于等于5千的mysql的镜像。

（2）只查看官网的mysql镜像

[root@docker ~]# docker search -f=is-official=true mysql   NAME               DESCRIPTION                                     STARS               OFFICIAL           AUTOMATED mysql               MySQL is a widely used, open-source relation…   9164               [OK]                 mariadb             MariaDB is a community-developed fork of MyS…   3263               [OK]                 [root@docker ~]# 

3.3 下载镜像

命令格式：

docker pull [选项] 镜像名称[:TAG]

案例：

下载刚查出的mysql官方镜像

[root@docker ~]# docker pull mysql Using default tag: latest latest: Pulling from library/mysql 6d28e14ab8c8: Pull complete dda15103a86a: Pull complete 55971d75ab8c: Pull complete f1d4ea32020b: Pull complete af91: Pull complete 05c10e6ccca5: Pull complete 7e0306b13322: Pull complete 900b113c001e: Pull complete 06cd07c30bf4: Pull complete df0d65aee5aa: Pull complete 53eeb6e0335c: Pull complete 6cf8f9563e97: Pull complete Digest: sha256:f91e704ffa9f19b9a267da0772a1bd739d3527fd6edbe3dfe Status: Downloaded newer image for mysql:latest docker.io/library/mysql:latest [root@docker ~]# docker images REPOSITORY         TAG                 IMAGE ID           CREATED             SIZE mysql               latest             c8ad2be69a22       47 hours ago       465MB [root@docker ~]#

另外这里也可以很清楚的看到，是一层一层的进行下载，这就是前面讲到的镜像分层结构。

默认会去Docker Hub仓库进行下载，我们也可以直接登录Docker Hub查看mysql镜像

https://hub.docker.com/_/mysql?tab=tags 我们可以看到有很多不同的版本，使用时按需下载即可。

特别注意，如果没指定tab版本号，默认是latest版本，也就是最新版。所以在生产环境中最好是明确指定一个版本。

默认情况下去docker hub下载镜像比较慢，由于是在国外所以不太稳定，自己可以配置为国内的镜像仓库，如阿里云仓库。

下载完成后，就可以在本地通过docker images命令查到该镜像

3.4 删除本地镜像

命令格式：

docker rmi [选项] 镜像名或id

参数：

参数作用-f即为–force，强制删除镜像。当要删除的镜像有容器存在时，只能强制删除

案例：

（1）删除第一篇文章中下载的hello-world镜像

由于当时我们已经用该镜像创建了一个容器，即使此容器没有运行，在删除时也用-f参数强制删除。

[root@docker ~]# docker images REPOSITORY         TAG                 IMAGE ID           CREATED             SIZE hello-world         latest             fce289e99eb9       14 months ago       1.84kB [root@docker ~]# docker rmi hello-world Error response from daemon: conflict: unable to remove repository reference "hello-world" (must force) - container cf1753d712db is using its referenced image fce289e99eb9 [root@docker ~]# docker rmi -f hello-world Untagged: hello-world:latest Untagged: hello-world@sha256:fc6a51919cfeb2e6763f62b6d9e8815acbf7cd2e476ea0737b752 Deleted: sha256:fce289e99eb9bca977dae136fbe2a82b6b7d4cc9235adcf587e [root@docker ~]# docker images REPOSITORY         TAG                 IMAGE ID           CREATED             SIZE [root@docker ~]# 

另外如果同一个镜像有不同版本，需要添加tag参数来删除指定镜像。如果要删除多个镜像，只需要在命令末尾以空格分隔多个容器即可。

（2）删除全部镜像

[root@docker ~]# docker rmi -f $(docker images -qa)

可以结合linux命令获取所有镜像id，然后再全部删除。

3.5 将容器打包为镜像

命令：docker commit

可以通过该命令将当前运行的容器打包为镜像。后文会讲到构建镜像有两种方式：一种是通过容器commit；另外一种是通过编写DocekerFile编辑镜像。

什么场景需要将容器打包成镜像呢？

比如我们想扩展某个镜像的功能，我们可以把镜像运行为一个容器，然后在里边实现各种定制化需求（比如安装特定的软件），然后在重新commit提交为一个镜像，以后就基于新镜像去创建容器。

ps：在后边演示完容器相关命令后，在单独演示commit和push命令。如果你有git或svn的使用经验，这2个pull和push命令很好理解，都是和仓库进行交互。

3.6 将容器上传到远程仓库

命令：docker push

本地通过docker commit打包的镜像，可以通过docker push上传到远程Docker Hub仓库。这个命令与docker pull是相对的，pull则是从远程仓库下载到本地。

要上传到远程仓库，还需要在Docker Hub上注册相应的账号，这在后续的文章中会单独进行演示。

至此，我们大概弄明白了Docker的体系结构以及Docker镜像原理，并演示了大部分Docker镜像相关的命令，如果看完还有些迷茫，先不着急，有个大概的印象即可，等看完后续文章中容器的操作之后就会有更深刻的认识。

下一篇 文章我们将讲解Docker容器相关知识，敬请期待。

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