零基础学Docker【4】 | 一文带你理解Docker镜像原理之联合文件系统

前言

上一篇博客?零基础学Docker【3】 | 一文带你快速进行Docker实战为大家带来了一些Docker应用实战的内容，本篇博客，我们需要完成的目标如下：

• 理解镜像原理之联合文件系统
• 学会commit自己的镜像

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镜像原理之联合文件系统

镜像是什么

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的所有内容，包括代码、运行时库、环境变量和配置文件。

所有的应用，直接打包docker镜像，就可以直接跑起来！

如何得到镜像

• 从远程仓库下载
• 别人拷贝给你
• 自己制作一个镜像 DockerFile

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，他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的镜像实际上由一层一层的文件系统组成，这种层级的文件系统UnionFS。

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 boots。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。

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。

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平时我们安装进虚拟机的CentOS都是好几个G，为什么在Docker里才200M？

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对于一个精简的OS，rootfs 可以很小，只需要包含最基本的命令，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 就可以了，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公用 bootfs。

分层理解

分层的镜像

我们可以去下载一个reids 镜像，注意观察下载的日志输出，可以看到是一层层的在下载。

当下载的层文件与我们之前层文件有冲突，也就是下载过的文件就会显示Already exists不会再去下载，它只会去下载一些跟 redis 相关的新的东西。

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思考：为什么Docker镜像要采用这种分层的结构呢？

最大的好处，我觉得莫过于资源共享了！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留一份base镜像，同时内存中也只需要加载一份base镜像，这样就可以为所有的容器服务了，而且镜像的每一层都可以被共享。

如果我们想要查看具体的分层方式，可以通过 docker image inspect 命令来实现。

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大家也可以这里理解：redis镜像文件 一种有6层，代表着6个步骤，如果说在其他镜像下载过程中已经执行过的步骤，这里就不会再去执行。剩下安装redis的步骤，再一步步去安装。每安装一步，都会有一个记录，但具体是怎么记录的呢？

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。

举一个简单的例子，假如基于 Ubuntu Linux16.04创建一个新的镜像，这就是新镜像的第一层；如果在该镜像中添加 Python包，就会在基础镜像层之上创建第二个镜像层；如果继续添加一个安全补丁，就会创健第三个镜像层。该镜像当前已经包含了3个镜像层，如下图所示（这只是一个用于演示的很简单的例子）

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在添加额外的镜像层的同时，镜像始终保持是当前所有镜像的组合，理解这一点非常重要。下图中，举了一个简单的例子，每个镜像层包含3个文件，而镜像包含了来自两个镜像层的6个文件。

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上图中的镜像层跟之前图中的略有区別，主要目的是便于展示文件。

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，这是因为最上层中的文件7是文件5的一个更新版。

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这种情況下，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，每种存储引擎都基于 Linux中对应的文件系统或者块设备技术，井且每种存储引擎都有其独有的性能特点。

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(写时复制)。

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井，对外提供统一的视图。

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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！ 这一层就是我们通常说的容器层，容器之下的都叫镜像层！

例如 tomcat 镜像有6个层级，当我们去pull下载的时候，就会按照之前我们所说的去执行6个步骤下载6个文件。但当我们run这个镜像，启动容器，我们当前所有的操作都会被记录在容器层，而容器层之下，就是保存有6个层级文件的镜像层。所以，镜像都是只读的，与具体的操作完全独立开。当我们需要将这个容器commit发布，拿给别人使用，我们就需要将原来的镜像层和已经发生改变的镜像再次打包，形成一个层级。

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接下来，我们就来研究一下，如何提交一个自己的镜像！

commit 镜像

相关命令

docker commit 提交容器成为一个新的副本

# 命令和git原理类似
docker commit -m="描述信息" -a="作者" 容器id 目标镜像名:[版本TAG]

实战测试

# 1、启动一个默认的tomcat
[root@localhost ~]# docker run -d -p 8080:8080 tomcat
4eb66f250688bba9b627fc473fb82c60ed73e59f9c880e34404990acce125a76
# 2、进入到运行的容器内，发现这个默认的tomcat是没有WebAPPs应用的，官方的镜像默认webapps下面是没有文件的！
[root@localhost ~]# docker exec -it 4eb66f250688 /bin/bash
root@4eb66f250688:/usr/local/tomcat# ls webapps/
# 3、从webapps.dist拷贝文件进去webapp
root@4eb66f250688:/usr/local/tomcat# cp -r webapps.dist/* webapps
root@4eb66f250688:/usr/local/tomcat# cd webapps
root@4eb66f250688:/usr/local/tomcat/webapps# ls
ROOT  docs  examples  host-manager  manager

此时我们通过网址 http://192.168.100.128:8080/ 就可以访问到 Tomcat 的页面

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# 4、将我们操作过的容器通过commit提交为一个镜像，我们以后就使用我们修改过的镜像即可，这就是我们自己的一个修改过的镜像。

[root@localhost ~]# docker commit -a="Alice" -m="add webapps app" 4eb66f250688 tomcat02:1.0  
sha256:5bd5cae854e3f3c6dad314e3c0604fe1e2effc5d87c15be2d343bce14974ff1d
# 5、通过查看镜像列表，我们就能查看到自己commit的镜像
[root@localhost ~]# docker images
REPOSITORY            TAG                 IMAGE ID            CREATED                                                                                                   SIZE
tomcat02              1.0                 5bd5cae854e3        16 seconds ago                                                                                            653MB
...

如果我们想要保存当前容器的状态，就可以通过 commit 来提交，获得一个镜像，就好比我们学习VM时，所做的快照！

巨人的肩膀

https://www.bilibili.com/video/BV1og4y1q7M4?p=20

彩蛋

有幸收藏过一份尚硅谷周阳老师制作的Docker思维导图，想获取源文件的朋友，可以在公众号【猿人菌】后台回复“Docker思维导图”获取哟~

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小结

到了这里我们才算是Docker入了门，后面我们将学习容器数据卷，DockerFile，Docker网络…等Docker进阶的内容，感兴趣的朋友可以加个星标持续关注。你知道的越多，你不知道的也越多，我是Alice，我们下期见！

一键三连，养成习惯~

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