Docker容器实战之镜像与容器的工作原理

目录一. bootfs和rootfs二. 镜像结构三. 容器层四. 联合文件系统​

一. bootfs和rootfs

通常而言，Linux的操作系统由两类文件系统组成：bootfs（boot file system）和rootfs（root file system），它们分别对应着系统内核与根目录文件。bootfs层主要为系统内核文件，这层的内容是无法修改的。当我们的系统在启动时会加载bootfs，当加载完成后整个内核都会存到内存中，然后系统会将bootfs卸载掉。而rootfs层则包含了系统中常见的目录和文件，如/bin，/etc，/proc等等。

Docker的镜像技术可以使用宿主机的bootfs层，这使得镜像本身只需要封装rootfs层所需要的文件和工具即可。因此，镜像可以根据需要进行定制化封装，减少占用的存储空间，如部分极精简的镜像只有几MB大小。

在不同Linux发行版本中，它们之间的主要区别在于rootfs层，比如ubuntu使用apt管理软件，而Centos使用yum方式。而在内核层面，两者的差别并不大。因此，我们可以在一台主机上同时支持不同Linux系统的镜像而不出现报错，如同时启动Centos和Ubuntu的容器。

但需要注意的是，不管容器使用什么系统的镜像，实际的内核版本都与镜像无关，都为宿主机的内核。如ubuntu16.04 的容器跑在Centos7.x的宿主机上，虽然ubuntu的内核版本是4.x.x，但我们在容器中会看到内核为centos 7.x 的内核，即 3.x.x。如果是对内核版本的要求的程序，可能会因此受到影响。

二. 镜像结构

Docker镜像采用分层的结构，由一些松耦合的只读层堆叠而成，并对外展示为一个统一的对象。所有的镜像都开始于一个基础的镜像层，当我们进行修改或内容添加时，会在镜像层上面创建新的一层。

最底层通常为基础层镜像，然后再层层叠加上来，比如安装一个Python软件，此时会在基础层上面添加一个新的层，上面包含了我们所安装的Python程序。

镜像做为所有镜像层的组合，如果镜像中有相同路径的文件，则上层镜像会覆盖下层镜像的内容，最终展示为所有层的数据汇总。

如下图所示，由于第二层的文件2与第一层具有相同的文件路径，则镜像将以第二层的文件2内容进行展示，第一层只有文件1会被显示。

我们再来回顾一下前面镜像拉取时的输出内容，Pull complete结尾的每一行代表镜像中某个被拉取的层，每个层级通过一个唯一的ID进行标识。

$ docker pull nginx:1.20 1.20: Pulling from library/nginx 5eb5b503b376: Pull complete cdfeb356c029: Pull complete d86da7454448: Pull complete 7976249980ef: Pull complete 8f66aa6726b2: Pull complete c004cabebe76: Pull complete Digest: sha256:02923d65cde08a49380ab3f3dd2f8f90aa51fa2bd358bd85f89345848f6e6623 Status: Downloaded newer image for nginx:1.20 docker.io/library/nginx:1.20

镜像层的松耦合代表着它不属于某个镜像独有，当不同镜像包含相同的层时，系统只会存储该层的一份内容，这是Docker镜像的重要特点，这样的好处有利于减少存储空间的占用。如下所示，当我们拉取另一个版本的Nginx镜像时，其中ID号为5eb5b503b376的层已经存在，则会显示为Already exists，直接使用此镜像层。

$ docker pull nginx:1.21 1.21: Pulling from library/nginx 5eb5b503b376: Already exists 1ae07ab881bd: Pull complete 78091884b7be: Pull complete 091c283c6a66: Pull complete 55de5851019b: Pull complete b559bad762be: Pull complete Digest: sha256:2834dc507516af02784808c5f48b7cbe38b8ed5d0f4837f16e78d00deb7e7767 Status: Downloaded newer image for nginx:1.21 docker.io/library/nginx:1.21

三. 容器层

我们前面说到镜像层是只读模板，那么当我们使用镜像生成容器时，为什么又能写入数据呢？这个问题的答案涉及到一个概念：容器层。

当容器启动时，会有一个新的可写层被加载到镜像的顶部，这一层通常被称为容器层。所有对容器的修改都会发生在容器层，只有容器层是可写入的，容器层以下的镜像层都是只读的。

当我们对容器进行操作时，底层的工作原理如下：

读取文件：当容器需要读取文件时，会先在容器层寻找，如果没有发现，则会从最上层的镜像层往下寻找，当找到文件后读取到内存使用。

增加文件：当增加文件时，文件会直接写到最上面容器层，不会影响到镜像层内容。所以，当我们将容器删除时，容器中的文件也会随着消失。

修改文件：此时，如果该文件是在容器层的，则会直接修改。否则的话，Docker会从上往下依次在各层镜像中查找此文件 ，当找到后将其复制到容器层中，并进行修改。这被称为容器的写时复制特性（Copy-on-Write），这个技术保证了我们对容器的修改不会影响到底层的镜像，也实现了一个镜像可以被多个容器共用。

删除文件：当我们需要删除文件时，Docker也是由上往下寻找该文件 ，如果在容器层的文件会被直接删除，而在镜像层的文件则会被标记，此时在容器将不会再出现此文件，但镜像中的文件并不会做更改。

四. 联合文件系统​

关于镜像与容器功能的实现，依赖其使用了联合文件系统（UnionFS）技术，这是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统。Docker 目前支持的联合文件系统包括 ​​OverlayFS​​​, ​​AUFS​​​, ​​VFS​​​ ​​Device Mapper等​​，而默认的存储驱动为Overlay2。