Docker鏡像原理之聯合檔案系統與分層理解（實例詳解）

這篇文章為大家帶來了關於Docker映像原理之聯合文件系統和分層理解的相關知識，其中包括聯合文件系統、分層結構和分層實踐的相關問題，希望對大家有幫助。

Docker－鏡像原理之聯合檔案系統與分層理解

1、聯合檔案系統

UnionFS(聯合檔案系統）

UnionFS( 聯合檔案系統）：Union檔案系統(UnionFS )是一種分層、輕量級且高效能的檔案系統，它支援對檔案系統的修改作為一次提交來一層層的疊加，同時可以將不同目錄掛載到同一個虛擬檔案系統下(unite several directories into a single virtualfilesystem)。 Union檔案系統是Docker映像的基礎。鏡像可以透過分層來進行繼承，基於基礎鏡像（沒有父鏡像），可以製作各種特定的應用鏡像。

另外，不同 Docker 容器就可以共用一些基礎的檔案系統層，同時再加上自己獨有的改動層，大大提高了儲存的效率。

Docker 中使用的 AUFS（AnotherUnionFS）就是一種聯合檔案系統。 AUFS 支援為每一個成員目錄（類似Git 的分支）設定唯讀（readonly）、讀寫（readwrite）和寫出（whiteout-able）權限, 同時AUFS 裡有一個類似分層的概念, 對唯讀權限的分支可以邏輯上進行增量地修改(不影響只讀部分的)。

Docker 目前支援的聯合檔案系統種類包括 AUFS, btrfs, vfs 和 DeviceMapper。

特性：一次同時載入多個檔案系統，但從外面看起來，只能看到一個檔案系統，聯合載入會把各層檔案系統疊加起來，這樣最終的檔案系統會包含所有底層的檔案和目錄。

base 鏡像

base 鏡像簡單來說就是不依賴其他任何鏡像，完全從0開始建起，其他鏡像都是建立在他的之上，可以比喻為大樓的地基，docker鏡像的始祖。

base 鏡像有兩層意義：（1）不依賴其他鏡像，從 scratch 建構；（2）其他鏡像可以之為基礎進行擴展。

所以，能稱為 base 映像的通常都是各種 Linux 發行版的 Docker 映像，像是 Ubuntu, Debian, CentOS 等。

Docker 映像載入原理

docker的映像其實是由一層一層的檔案系統所組成，而這種層級的檔案系統就是UnionFS。

典型的Linux 啟動到運行需要兩個FS，bootfs rootfs：

bootfs(boot file system)主要包含bpotloader 和kernel，bootloader主要是引導載入kernel，Linux 剛啟動時會載入bootfs檔案系統，在Docker映像的最底層就是bootfs。這一層與我們典型的Linux/Unix系統是一樣的，包含boot載入器bootloader和核心kernel。當boot載入完成之後整個內核就都在記憶體中了，此時記憶體的使用權已由bootfs轉交給內核，此時系統也會卸載bootfs。

rootfs (root file system)，在bootfs之上。包含的就是典型Linux系統中的/dev, /proc, /bin， /etc等標準目錄和檔案。 roots就是各種不同的作業系統發行版，像是Ubuntu，Centos等等。

Docker 映像中為什麼沒有核心

從映像大小上面來說，一個比較小的映像只有1KB多點，或幾MB，而核心檔案需要幾十MB， 因此鏡像裡面是沒有內核的，鏡像在被啟動為容器後將直接使用宿主機的內核，而鏡像本身則只提供相應的rootfs，即係統正常運行所必須的用戶空間的文件系統，例如/dev/，/proc，/bin，/etc等目錄，所以容器當中基本上是沒有/boot目錄的，而/boot當中保存的就是與核心相關的檔案和目錄。

由於容器啟動和運行過程中是直接使用了宿主機的內核，不會直接調用過物理硬件，所以也不會涉及到硬體驅動，因此也用不上內核和驅動。而如果虛擬機器技術，對應每個虛擬機器都有自已獨立的核心

2、分層結構

Docker 映像是一種分層結構，每一層都建構在其他層之上，從而實現增量增加內容的功能，Docker 映像下載的時候也是分層下載，以下載redis映像為例：

##可以看到，新鏡像是從base 鏡像一層一層疊加產生的。每安裝一個軟體，就在現有鏡像的基礎上增加一層。

為什麼 Docker 映像要採用這種分層結構呢？

最大的好處，莫過於是資源共享了。例如有多個鏡像都從相同的Base鏡像建置而來，那麼宿主機只需在磁碟上保留一份base鏡像，同時記憶體中也只需要載入一份base鏡像，這樣就可以為所有的容器服務了，而且鏡像的每一層都可以被分享。

可寫入的容器層

Docker 映像都只是可讀（read-only）的，當容器啟動時，一個新的可寫層被載入到鏡像頂部。

這新的一層就是可寫入的容器層，容器底下都叫做鏡像層。

Docker透過一個修改時複製策略copy-on-write來保證base映像的安全性，以及更高的效能和空間利用率。

• 當容器需要讀取檔案的時候

從最上層的鏡像層開始往下找，找到後讀取到記憶體中，若已經在記憶體中，可以直接使用。換句話說，運行在同一台機器上的Docker容器共用運行時相同的檔案。

• 當容器需要修改檔案的時候

從上往下查找，找到後複製到容器層，對容器來說，可以看到的是容器層的這個文件，看不到鏡像圖層裡的文件，然後直接修改容器層的文件。

• 當容器需要刪除檔案的時候

從上往下查找，找到後在容器中記錄刪除，並不是真正的刪除，而是軟刪除。這導致鏡像體積只會增加，不會減少。

• 當容器需要增加檔案的時候

直接在最上層的容器可寫層增加，不會影響鏡像層。

所有對容器的改動，無論新增、刪除、或修改檔案都只會發生在容器層中。只有容器層是可寫入的，容器層下面的所有鏡像層都是唯讀的，所以鏡像可以被多個容器共用。

3、分層實踐－commit 提交鏡像

透過鏡像建立容器，然後對容器層進行操作，鏡像層不動，再把操作後的容器層和鏡像層打包成一個新的鏡像提交。

docker commit：用容器建立一個新的映像。

語法：

docker commit [OPTIONS] CONTAINER [REPOSITORY[:TAG]]

OPTIONS說明：

• #-a*提交的鏡像作者；
• **-c *使用Dockerfile指令來建立映像；
• **-m *提交時的說明文字；
• **-p *在commit時，將容器暫停。

使用實例：透過鏡像建立容器，然後對容器層進行操作，再把操作後的容器層和鏡像層打包成一個新的鏡像提交。

1、先下載tomcat 映像

2、透過tomcat 映像建立運行tomcat 容器：

docker run -d --name="tomcat01" tomcat

3、進入正在運行的tomcat容器：

docker exec -it tomcat01 /bin/bash

4、把tomcat容器webapps.dist目錄下的檔案拷貝到webapps目錄下：

cp -r webapps.dist/* webapps

5、docker commit 提交映像

#將容器dc904437d987 儲存為新的映像,並添加提交人資訊和說明信息，提交後的鏡像名為tomcatplus，版本為1.0：

docker commit -a="wanli" -m="add webapps files" dc904437d987 tomcatplus:1.0

可以看到commit提交後的新tomcat 鏡像大小比原來的tomcat鏡像要大一點，因為我們在容器層中進行了複製檔案操作。

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