徹底搞懂Docker鏡像分層的實(shí)現(xiàn)

更新時(shí)間：2022年02月21日 09:25:11 作者：postnull

本文我們會(huì)深入的學(xué)習(xí)Docker的鏡像分層的原理和實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)例和與git的類(lèi)比，幫助我們加深對(duì)鏡像的理解,對(duì)Docker鏡像分層相關(guān)知識(shí)感興趣的朋友一起看看吧

創(chuàng)建測(cè)試鏡像

我們創(chuàng)建一個(gè)最簡(jiǎn)單的鏡像：

1.構(gòu)建測(cè)試鏡像v1.0：docker build -t image_test:1.0 .

FROM alpine:3.15.0 #除了繼承基礎(chǔ)鏡像，啥也不做

2.構(gòu)建測(cè)試鏡像v2.0：docker build -t image_test:2.0 .

FROM alpine:3.15.0
RUN dd if=/dev/zero of=file1 bs=10M count=1 #添加一個(gè)10M的文件file1

3.構(gòu)建測(cè)試鏡像v3.0：docker build -t image_test:3.0 .

FROM alpine:3.15.0
RUN dd if=/dev/zero of=file1 bs=10M count=1 #添加一個(gè)10M的文件file1
RUN dd if=/dev/zero of=file2 bs=10M count=1 #添加一個(gè)10M的文件file2

這樣本地就構(gòu)建了3個(gè)測(cè)試鏡像：

查看鏡像

我們有2種方法查看鏡像：

使用docker inspect：獲取鏡像的元數(shù)據(jù)
使用docker history：查看鏡像的構(gòu)建歷史使用docker inspect

使用docker inspect

查看鏡像的元數(shù)據(jù)。
其中Parent可以看到父鏡像， Layers這一項(xiàng)下面可以看到鏡像的所有層。

使用docker history

使用docker history可以看到鏡像的構(gòu)建歷史。
我們每一行列出了鏡像包含的層。

使用docker history我們看到有一行很特別，就是鏡像ID為的行，這一行是什么呢？
看了官方文檔的描述，我們知道這些構(gòu)建步驟要么是構(gòu)建在另一個(gè)系統(tǒng)，要么是鏡像的部分是從DockerHub上拉取下來(lái)的，要么是使用的是另一種構(gòu)建工具BuildKit構(gòu)建的。
很顯然，我們這里就是第二種情況，因?yàn)槲覀兊腄ockerfile中第一句指令就是FROM alpine:3.15.0.

鏡像分層圖

根據(jù)上面的docker history命令，我們可以輕松的畫(huà)出三個(gè)鏡像的分層圖：

從上面的圖可以看到，我們的鏡像是分層的，我們的Dockerfile中新增一條指令，就會(huì)新增一層！
如果我們將多個(gè)命令合成一個(gè)，那么也只會(huì)生成一層。修改一下上面的image_test:3.0，把兩條RUN合并成一條：

FROM alpine:3.15.0
RUN dd if=/dev/zero of=file1 bs=10M count=1 && \
    dd if=/dev/zero of=file2 bs=10M count=1

使用docker history 查看image_test:4.0，可以看到，只有2層了！

鏡像分層的好處

知道了鏡像是分層的，那么我們是不是好奇為啥要這么設(shè)計(jì)呢？
試想一下我們?nèi)绻环謱訒?huì)有什么問(wèn)題？

以拉取鏡像為例！
拉取鏡像的鏡像很大，比如Redis的鏡像有100多M
第一次我們拉取6.2版本的Redis，下載了完成的100M到本地，下次我要下載6.2.6版本的，是不是又得下載100M。
盡管可能兩個(gè)版本之間就改了幾行配置文件。

這樣是非常低效的。如果能只下載有差異的部分就好了！

這個(gè)痛點(diǎn)，也就是鏡像分層要解決的問(wèn)題。實(shí)際上，Docker也是這么實(shí)現(xiàn)的。
第一次下載redis:6.2時(shí)，因?yàn)橹皼](méi)有下載過(guò)，所以下載了所有的層，總共113M。網(wǎng)絡(luò)慢點(diǎn)的話(huà)還是需要花一些時(shí)間的！

第二次下載redis:7.0-rc，就變得快了很多！因?yàn)榍懊?層是redis:6.2是一樣的，這些層已經(jīng)下載過(guò)了！

這種思想和我們常用的版本管理工具git也是一樣的！
如果版本2是基于版本1的基礎(chǔ)上，那么版本2不需要copy一份全量的數(shù)據(jù)，只需一份和版本1差異化的增量數(shù)據(jù)即可！

這樣的最終好處是，可以體現(xiàn)在以下方面：

拉取更快：因?yàn)榉謱恿?，只需拉取本地不存在的層即可?/li>
存儲(chǔ)更少：因?yàn)楣餐膶又恍璐鎯?chǔ)一份即可！
運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)更少：容器運(yùn)行時(shí)可以共享相同的層！

對(duì)于第3點(diǎn)，多個(gè)基于相同鏡像運(yùn)行的容器，都可以直接使用相同的鏡像層，每個(gè)容器只需一個(gè)自己的可寫(xiě)層即可：

鏡像分層的實(shí)現(xiàn)

前面說(shuō)過(guò)，Docker鏡像分層和Git的版本很像！我們不妨以此類(lèi)比！只是為了方便我們理解：

Git	Docker
版本	分層
在前一個(gè)版本的基礎(chǔ)上	在前一層的基礎(chǔ)上
修改了代碼	Dockerfile中加了RUN等指令
commit了修改，新增了一個(gè)版本	新建一個(gè)鏡像層
新版本只包含差異	新鏡像只包含了差異修改
已提交的commit是不能修改的	舊的鏡像層是不能修改的

總而言之，鏡像層是只讀的，新的鏡像層是基于前一個(gè)鏡像層的修改，只保留了增量修改的部分！
使用了聯(lián)合文件系統(tǒng)，對(duì)文件系統(tǒng)的修改作為一次提交來(lái)一層層的疊加！

容器本質(zhì)上也是在鏡像的基礎(chǔ)上加了一層可寫(xiě)層！這個(gè)在另外的章節(jié)再詳細(xì)討論！

Copy-on-write策略

Copy-on-write是一種提高文件共享和復(fù)制效率的策略。
如果一個(gè)文件和目錄在低一層的鏡像層中存在，并且其它層想要讀取這個(gè)文件，就直接使用這個(gè)文件。
如果其它層想要修改這個(gè)文件（不管是構(gòu)建鏡像時(shí)，還是在容器運(yùn)行的過(guò)程中），這個(gè)文件都會(huì)被先拷貝到新的一層中，然后再修改它。