Docker 镜像 是一个特殊的文件系统,除了提供容器运行时所需的程序、库、资源、配置等文件外,还包含了一些为运行时准备的一些配置参数(如匿名卷、环境变量、用户等)。镜像 不包含 任何动态数据,其内容在构建之后也不会被改变。
因为镜像包含操作系统完整的 root 文件系统,其体积往往是庞大的,因此在 Docker 设计时,就充分利用Union FS 的技术,将其设计为分层存储的架构。
Union mount
Union mount技术:
In computer operating systems, union mounting is a way of combining multiple directories into one that appears to contain their combined contents.
As an example application of union mounting, consider the need to update the information contained on a CD-ROM or DVD. While a CD-ROM is not writable, one can overlay the CD’s mount point with a writable directory in a union mount. Then, updating files in the union directory will cause them to end up in the writable directory, giving the illusion that the CD-ROM’s contents have been updated.
维基百科中举例说明了Union mount技术:CD-ROM是不可写入或修改的,所以我们可以将CD挂载到一个可修改的union mount上,然后更新union direcory上的文件,这样就会产生CD-ROM上的内容被修改了的假象。
Docker使用分层存储的技术:
具体体现在Docker镜像不同于普通的ISO镜像,一个Docker镜像中可能是多次镜像构建产生的,而每一层镜像的构建在修改前一层文件的内容时,并不会真正的去修改前一层镜像的文件,而是在当前层标记文件已删除。
分层镜像的好处:
- 拉取更快:因为分层了,只需拉取本地不存在的层即可!
- 存储更少:因为共同的层只需存储一份即可!
- 运行时存储更少:容器运行时可以共享相同的层!
几个关键概念:
rootfs
Rootfs:代表一个 Docker Container 在启动时(而非运行后)其内部进程可见的文件系统视角,或者是 Docker Container 的根目录。当然,该目录下含有 Docker Container 所需要的系统文件、工具、容器文件等。
传统来说,Linux 操作系统内核启动时,内核首先会挂载一个只读(read-only)的 rootfs,当系统检测其完整性之后,决定是否将其切换为读写(read-write)模式,或者最后在 rootfs 之上另行挂载一种文件系统并忽略 rootfs。Docker 架构下,依然沿用 Linux 中 rootfs 的思想。当 Docker Daemon 为 Docker Container 挂载 rootfs 的时候,与传统 Linux 内核类似,将其设定为只读(read-only)模式。在 rootfs 挂载完毕之后,和 Linux 内核不一样的是,Docker Daemon 没有将 Docker Container 的文件系统设为读写(read-write)模式,而是利用 Union mount 的技术,在这个只读的 rootfs 之上再挂载一个读写(read-write)的文件系统,挂载时该读写(read-write)文件系统内空无一物。
正如 read-only 和 read-write 的含义那样,该容器中的进程对 rootfs 中的内容只拥有读权限,对于 read-write 读写文件系统中的内容既拥有读权限也拥有写权限。容器虽然只有一个文件系统,但该文件系统由“两层”组成,分别为读写文件系统和只读文件系统。
Union mount
Union mount:代表一种文件系统挂载的方式,允许同一时刻多种文件系统挂载在一起,并以一种文件系统的形式,呈现多种文件系统内容合并后的目录。
一般情况下,通过某种文件系统挂载内容至挂载点的话,挂载点目录中原先的内容将会被隐藏。而 Union mount 则不会将挂载点目录中的内容隐藏,反而是将挂载点目录中的内容和被挂载的内容合并,并为合并后的内容提供一个统一独立的文件系统视角。通常来讲,被合并的文件系统中只有一个会以读写(read-write)模式挂载,而其他的文件系统的挂载模式均为只读(read-only)。实现这种 Union mount 技术的文件系统一般被称为 Union Filesystem,较为常见的有 UnionFS、AUFS、OverlayFS 等。
Docker 实现容器文件系统 Union mount 时,提供多种具体的文件系统解决方案,如 Docker 早版本沿用至今的的 AUFS,还有在 docker 1.4.0 版本中开始支持的 OverlayFS 等。
使用镜像 ubuntu 创建的容器中,可以暂且将该容器整个 rootfs 当成是一个文件系统。上文也提到,挂载时读写(read-write)文件系统中空无一物。既然如此,从用户视角来看,容器内文件系统和 rootfs 完全一样,用户完全可以按照往常习惯,无差别的使用自身视角下文件系统中的所有内容;然而,从内核的角度来看,两者在有着非常大的区别。追溯区别存在的根本原因,那就不得不提及 AUFS 等文件系统的 COW(copy-on-write)特性。
COW 文件系统和其他文件系统最大的区别就是:从不覆写已有文件系统中已有的内容。由于通过 COW 文件系统将两个文件系统(rootfs 和 read-write filesystem)合并,最终用户视角为合并后的含有所有内容的文件系统,然而在 Linux 内核逻辑上依然可以区别两者,那就是用户对原先 rootfs 中的内容拥有只读权限,而对 read-write filesystem 中的内容拥有读写权限。
既然对用户而言,全然不知哪些内容只读,哪些内容可读写,这些信息只有内核在接管,那么假设用户需要更新其视角下的文件 /etc/hosts,而该文件又恰巧是 rootfs 只读文件系统中的内容,内核是否会抛出异常或者驳回用户请求呢?答案是否定的。当此情形发生时,COW 文件系统首先不会覆写 read-only 文件系统中的文件,即不会覆写 rootfs 中 /etc/hosts,其次反而会将该文件拷贝至读写文件系统中,即拷贝至读写文件系统中的 /etc/hosts,最后再对后者进行更新操作。如此一来,纵使 rootfs 与 read-write filesystem 中均由 /etc/hosts,诸如 AUFS 类型的 COW 文件系统也能保证用户视角中只能看到 read-write filesystem 中的 /etc/hosts,即更新后的内容。
当然,这样的特性同样支持 rootfs 中文件的删除等其他操作。例如:用户通过 apt-get 软件包管理工具安装 Golang,所有与 Golang 相关的内容都会被安装在读写文件系统中,而不会安装在 rootfs。此时用户又希望通过 apt-get 软件包管理工具删除所有关于 MySQL 的内容,恰巧这部分内容又都存在于 rootfs 中时,删除操作执行时同样不会删除 rootfs 实际存在的 MySQL,而是在 read-write filesystem 中删除该部分内容,导致最终 rootfs 中的 MySQL 对容器用户不可见,也不可访。
掌握 Docker 中 rootfs 以及 Union mount 的概念之后,再来理解 Docker 镜像,就会变得水到渠成。
关键词: Docker使用AUFS文件系统 ,AUFS 等文件系统有 COW(copy-on-write)特性。
image
Docker 中 rootfs 的概念,起到容器文件系统中基石的作用。对于容器而言,其只读的特性,也是不难理解。神奇的是,实际情况下 Docker 的 rootfs 设计与实现比上文的描述还要精妙不少。
继续以 ubuntu 为例,虽然通过 AUFS 可以实现 rootfs 与 read-write filesystem 的合并,但是考虑到 rootfs 自身接近 200MB 的磁盘大小,如果以这个 rootfs 的粒度来实现容器的创建与迁移等,是否会稍显笨重,同时也会大大降低镜像的灵活性。而且,若用户希望拥有一个 ubuntu 的 rootfs,那么是否有必要创建一个全新的 rootfs,毕竟 ubuntu 和 ubuntu 的 rootfs 中有很多一致的内容。
Docker 中 image 的概念,非常巧妙的解决了以上的问题。最为简单的解释 image,就是 Docker 容器中只读文件系统 rootfs 的一部分。换言之,实际上 Docker 容器的 rootfs 可以由多个 image 来构成。多个 image 构成 rootfs 的方式依然沿用 Union mount 技术。
多个 Image 构成 rootfs 的示意图。图中,rootfs 中每一层 image 中的内容划分只为了阐述清楚 rootfs 由多个 image 构成,并不代表实际情况中 rootfs 中的内容划分。
从上图可以看出,举例的容器 rootfs 包含 4 个 image,其中每个 image 中都有一些用户视角文件系统中的一部分内容。4 个 image 处于层叠的关系,除了最底层的 image,每一层的 image 都叠加在另一个 image 之上。另外,每一个 image 均含有一个 image ID,用以唯一的标记该 image。
基于以上的概念,Docker Image 中又抽象出两种概念:Parent Image 以及 Base Image。除了容器 rootfs 最底层的 image,其余 image 都依赖于其底下的一个或多个 image,而 Docker 中将下一层的 image 称为上一层 image 的 Parent Image。imageID_0 是 imageID_1 的 Parent Image,imageID_2 是 imageID_3 的 Parent Image,而 imageID_0 没有 Parent Image。对于最下层的 image,即没有 Parent Image 的镜像,在 Docker 中习惯称之为 Base Image。
通过 image 的形式,原先较为臃肿的 rootfs 被逐渐打散成轻便的多层。Image 除了轻便的特性,同时还有上文提到的只读特性,如此一来,在不同的容器、不同的 rootfs 中 image 完全可以用来复用。
多 image 组织关系与复用关系如图下图(图中镜像名称的举例只为将 image 之间的关系阐述清楚,并不代表实际情况中相应名称 image 之间的关系):
关键词:使用Union mount技术实现多层镜像构建,轻量化rootfs
layer
Docker 术语中,layer 是一个与 image 含义较为相近的词。容器镜像的 rootfs 是容器只读的文件系统,rootfs 又是由多个只读的 image 构成。于是,rootfs 中每个只读的 image 都可以称为一层 layer。
除了只读的 image 之外,Docker Daemon 在创建容器时会在容器的 rootfs 之上,再 mount 一层 read-write filesystem,而这一层文件系统,也称为容器的一层 layer,常被称为 top layer。
因此,总结而言,Docker 容器中的每一层只读的 image,以及最上层可读写的文件系统,均被称为 layer。如此一来,layer 的范畴比 image 多了一层,即多包含了最上层的 read-write filesystem。
有了 layer 的概念,大家可以思考这样一个问题:容器文件系统分为只读的 rootfs,以及可读写的 top layer,那么容器运行时若在 top layer 中写入了内容,那这些内容是否可以持久化,并且也被其它容器复用?
上文对于 image 的分析中,提到了 image 有复用的特性,既然如此,再提一个更为大胆的假设:容器的 top layer 是否可以转变为 image?
答案是肯定的。Docker 的设计理念中,top layer 转变为 image 的行为(Docker 中称为 commit 操作),大大释放了容器 rootfs 的灵活性。Docker 的开发者完全可以基于某个镜像创建容器做开发工作,并且无论在开发周期的哪个时间点,都可以对容器进行 commit,将所有 top layer 中的内容打包为一个 image,构成一个新的镜像。Commit 完毕之后,用户完全可以基于新的镜像,进行开发、分发、测试、部署等。不仅 docker commit 的原理如此,基于 Dockerfile 的 docker build,其追核心的思想,也是不断将容器的 top layer 转化为 image。
关键词:多层镜像+一层top layer可写层