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learn.lianglianglee.com/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/02 核心概念：镜像、容器、仓库，彻底掌握 Docker 架构核心设计理念.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>02 核心概念：镜像、容器、仓库，彻底掌握 Docker 架构核心设计理念</h1>
<p>Docker 的操作围绕镜像、容器、仓库三大核心概念。在学架构设计之前，我们需要先了解 Docker 的三个核心概念。</p>
<h3>Docker 核心概念</h3>
<h4>镜像</h4>
<p>镜像是什么呢？通俗地讲，它是一个只读的文件和文件夹组合。它包含了容器运行时所需要的所有基础文件和配置信息，是容器启动的基础。所以你想启动一个容器，那首先必须要有一个镜像。<strong>镜像是 Docker 容器启动的先决条件。</strong></p>
<p>如果你想要使用一个镜像，你可以用这两种方式：</p>
<ol>
<li>自己创建镜像。通常情况下，一个镜像是基于一个基础镜像构建的，你可以在基础镜像上添加一些用户自定义的内容。例如你可以基于<code>centos</code>镜像制作你自己的业务镜像，首先安装<code>nginx</code>服务，然后部署你的应用程序，最后做一些自定义配置，这样一个业务镜像就做好了。</li>
<li>从功能镜像仓库拉取别人制作好的镜像。一些常用的软件或者系统都会有官方已经制作好的镜像，例如<code>nginx</code>、<code>ubuntu</code>、<code>centos</code>、<code>mysql</code>等，你可以到 <a href="https://hub.docker.com/">Docker Hub</a> 搜索并下载它们。</li>
</ol>
<h4>容器</h4>
<p>容器是什么呢？容器是 Docker 的另一个核心概念。通俗地讲，容器是镜像的运行实体。镜像是静态的只读文件，而容器带有运行时需要的可写文件层，并且容器中的进程属于运行状态。即<strong>容器运行着真正的应用进程。容器有初建、运行、停止、暂停和删除五种状态。</strong></p>
<p>虽然容器的本质是主机上运行的一个进程，但是容器有自己独立的命名空间隔离和资源限制。也就是说，在容器内部，无法看到主机上的进程、环境变量、网络等信息，这是容器与直接运行在主机上进程的本质区别。</p>
<h4>仓库</h4>
<p>Docker 的镜像仓库类似于代码仓库，用来存储和分发 Docker 镜像。镜像仓库分为公共镜像仓库和私有镜像仓库。</p>
<p>目前，<a href="https://hub.docker.com/">Docker Hub</a> 是 Docker 官方的公开镜像仓库，它不仅有很多应用或者操作系统的官方镜像，还有很多组织或者个人开发的镜像供我们免费存放、下载、研究和使用。除了公开镜像仓库，你也可以构建自己的私有镜像仓库，在第 5 课时，我会带你搭建一个私有的镜像仓库。</p>
<h4>镜像、容器、仓库，三者之间的联系</h4>
<p><img src="assets/Ciqc1F9PYryALHVmAABihjRzo4c527.png" alt="Drawing 1.png" /></p>
<p>从图 1 可以看到，镜像是容器的基石，容器是由镜像创建的。一个镜像可以创建多个容器，容器是镜像运行的实体。仓库就非常好理解了，就是用来存放和分发镜像的。</p>
<p>了解了 Docker 的三大核心概念，接下来认识下 Docker 的核心架构和一些重要的组件。</p>
<h3>Docker 架构</h3>
<p>在了解 Docker 架构前，我先说下相关的背景知识——容器的发展史。</p>
<p>容器技术随着 Docker 的出现变得炙手可热，所有公司都在积极拥抱容器技术。此时市场上除了有 Docker 容器，还有很多其他的容器技术，比如 CoreOS 的 rkt、lxc 等。容器技术百花齐放是好事，但也出现了很多问题。比如容器技术的标准到底是什么？容器标准应该由谁来制定？</p>
<p>也许你可能会说， Docker 已经成为了事实标准，把 Docker 作为容器技术的标准不就好了？事实并没有想象的那么简单。因为那时候不仅有容器标准之争，编排技术之争也十分激烈。当时的编排技术有三大主力，分别是 Docker Swarm、Kubernetes 和 Mesos 。Swarm 毋庸置疑，肯定愿意把 Docker 作为唯一的容器运行时，但是 Kubernetes 和 Mesos 就不同意了，因为它们不希望调度的形式过度单一。</p>
<p>在这样的背景下，最终爆发了容器大战，<code>OCI</code>也正是在这样的背景下应运而生。</p>
<p><code>OCI</code>全称为开放容器标准（Open Container Initiative），它是一个轻量级，开放的治理结构。<code>OCI</code>组织在 Linux 基金会的大力支持下，于 2015 年 6 月份正式注册成立。基金会旨在为用户围绕工业化容器的格式和镜像运行时，制定一个开放的容器标准。目前主要有两个标准文档：<strong>容器运行时标准 （runtime spec）和容器镜像标准（image spec）</strong>。</p>
<p>正是由于容器的战争，才导致 Docker 不得不在战争中改变一些技术架构。最终形成了下图所示的技术架构。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F9PYtCAC1GSAADIK4E6wrc368.png" alt="Drawing 2.png" /></p>
<p>图2 Docker 架构图</p>
<p>我们可以看到，Docker 整体架构采用 C/S（客户端 / 服务器）模式，主要由客户端和服务端两大部分组成。客户端负责发送操作指令，服务端负责接收和处理指令。客户端和服务端通信有多种方式，即可以在同一台机器上通过<code>UNIX</code>套接字通信，也可以通过网络连接远程通信。</p>
<p>下面我逐一介绍客户端和服务端。</p>
<h4>Docker 客户端</h4>
<p>Docker 客户端其实是一种泛称。其中 docker 命令是 Docker 用户与 Docker 服务端交互的主要方式。除了使用 docker 命令的方式，还可以使用直接请求 REST API 的方式与 Docker 服务端交互，甚至还可以使用各种语言的 SDK 与 Docker 服务端交互。目前社区维护着 Go、Java、Python、PHP 等数十种语言的 SDK，足以满足你的日常需求。</p>
<h4>Docker 服务端</h4>
<p>Docker 服务端是 Docker 所有后台服务的统称。其中 dockerd 是一个非常重要的后台管理进程，它负责响应和处理来自 Docker 客户端的请求，然后将客户端的请求转化为 Docker 的具体操作。例如镜像、容器、网络和挂载卷等具体对象的操作和管理。</p>
<p>Docker 从诞生到现在，服务端经历了多次架构重构。起初，服务端的组件是全部集成在 docker 二进制里。但是从 1.11 版本开始， dockerd 已经成了独立的二进制，此时的容器也不是直接由 dockerd 来启动了，而是集成了 containerd、runC 等多个组件。</p>
<p>虽然 Docker 的架构在不停重构，但是各个模块的基本功能和定位并没有变化。它和一般的 C/S 架构系统一样，Docker 服务端模块负责和 Docker 客户端交互，并管理 Docker 的容器、镜像、网络等资源。</p>
<h4>Docker 重要组件</h4>
<p>下面，我以 Docker 的 18.09.2 版本为例，看下 Docker 都有哪些工具和组件。在 Docker 安装路径下执行 ls 命令可以看到以下与 docker 有关的二进制文件。</p>
<pre><code>-rwxr-xr-x 1 root root 27941976 Dec 12 2019 containerd
-rwxr-xr-x 1 root root 4964704 Dec 12 2019 containerd-shim
-rwxr-xr-x 1 root root 15678392 Dec 12 2019 ctr
-rwxr-xr-x 1 root root 50683148 Dec 12 2019 docker
-rwxr-xr-x 1 root root 764144 Dec 12 2019 docker-init
-rwxr-xr-x 1 root root 2837280 Dec 12 2019 docker-proxy
-rwxr-xr-x 1 root root 54320560 Dec 12 2019 dockerd
-rwxr-xr-x 1 root root 7522464 Dec 12 2019 runc
</code></pre>
<p>可以看到，Docker 目前已经有了非常多的组件和工具。这里我不对它们逐一介绍，因为在第 11 课时，我会带你深入剖析每一个组件和工具。
这里我先介绍一下 Docker 的两个至关重要的组件：<code>runC</code>和<code>containerd</code>。</p>
<ul>
<li><code>runC</code>是 Docker 官方按照 OCI 容器运行时标准的一个实现。通俗地讲，runC 是一个用来运行容器的轻量级工具，是真正用来运行容器的。</li>
<li><code>containerd</code>是 Docker 服务端的一个核心组件，它是从<code>dockerd</code>中剥离出来的 ，它的诞生完全遵循 OCI 标准，是容器标准化后的产物。<code>containerd</code>通过 containerd-shim 启动并管理 runC，可以说<code>containerd</code>真正管理了容器的生命周期。</li>
</ul>
<p><img src="assets/Ciqc1F9PYuuAQINxAAA236heaL0459.png" alt="Drawing 3.png" /></p>
<p>图3 Docker 服务端组件调用关系图</p>
<p>通过上图，可以看到，<code>dockerd</code>通过 gRPC 与<code>containerd</code>通信，由于<code>dockerd</code>与真正的容器运行时，<code>runC</code>中间有了<code>containerd</code>这一 OCI 标准层，使得<code>dockerd</code>可以确保接口向下兼容。</p>
<blockquote>
<p><a href="https://grpc.io/">gRPC</a> 是一种远程服务调用。想了解更多信息可以参考<a href="https://grpc.io/">https://grpc.io</a>
containerd-shim 的意思是垫片，类似于拧螺丝时夹在螺丝和螺母之间的垫片。containerd-shim 的主要作用是将 containerd 和真正的容器进程解耦，使用 containerd-shim 作为容器进程的父进程，从而实现重启 containerd 不影响已经启动的容器进程。</p>
</blockquote>
<p>了解了 dockerd，containerd 和 runC 之间的关系，下面可以通过启动一个 Docker 容器，来验证它们进程之间的关系。</p>
<h4>Docker 各组件之间的关系</h4>
<p>首先通过以下命令来启动一个 busybox 容器：</p>
<pre><code>$ docker run -d busybox sleep 3600
</code></pre>
<p>容器启动后，通过以下命令查看一下 dockerd 的 PID：</p>
<pre><code>$ sudo ps aux |grep dockerd
root 4147 0.3 0.2 1447892 83236 ? Ssl Jul09 245:59 /usr/bin/dockerd
</code></pre>
<p>通过上面的输出结果可以得知 dockerd 的 PID 为 4147。为了验证图 3 中 Docker 各组件之间的调用关系，下面使用 pstree 命令查看一下进程父子关系：</p>
<pre><code>$ sudo pstree -l -a -A 4147
dockerd
|-containerd --config /var/run/docker/containerd/containerd.toml --log-level info
| |-containerd-shim -namespace moby -workdir /var/lib/docker/containerd/daemon/io.containerd.runtime.v1.linux/moby/d14d20507073e5743e607efd616571c834f1a914f903db6279b8de4b5ba3a45a -address /var/run/docker/containerd/containerd.sock -containerd-binary /usr/bin/containerd -runtime-root /var/run/docker/runtime-runc
| | |-sleep 3600
</code></pre>
<p>事实上，dockerd 启动的时候， containerd 就随之启动了，dockerd 与 containerd 一直存在。当执行 docker run 命令（通过 busybox 镜像创建并启动容器）时，containerd 会创建 containerd-shim 充当 “垫片” 进程，然后启动容器的真正进程 sleep 3600 。这个过程和架构图是完全一致的。</p>
<h4>结语</h4>
<p>本课时有基础有架构，是一篇为后续打基础的文章。如果你有什么知识点没理解到位，有疑问，可写在留言处，我回复置顶，给他人参考。</p>
<p>如果你理解到位，相信你对 Docker 的三大核心概念镜像、容器、仓库有了一个清楚的认识，并对 Dokcer 的架构有了一定的了解。那么你知道为什么 Docker 公司要把<code>containerd</code>拆分并捐献给社区吗？思考后，也可以把你的想法写在留言区。</p>
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