Docker 原理篇

前提


docker是linux系统上的,虽然官网提供了windows和MacOS版本的安装包,但它们都是靠虚拟机或类似的技术支撑的。换句话说,为了方便你的阅读,希望你已经了解些许linux的知识。

共识


docker和容器不是一个意思,docker包含实现虚拟化技术的一系列技术,而容器(container)只是其中的一个组件。

Docker可以给你带来什么?


  1. 更快交付你的应用(Faster delivery of your applications)
  2. 让部署和测试更简单(Deploying and scaling more easily)
  3. 实现更高密度和更多的负载(Achieving higher density and running more workloads)

目标


Docker项目的目标是实现轻量级的操作系统虚拟化解决方案,创建软件程序可移植的轻量容器。

底层实现


  1. Docker 的基础是Linux容器(LXC)等技术。
  2. 在LXC的基础上Docker进行了进一步的封装,让用户不需要去关心容器的管理,使得操作更为简便。
  3. Docker使用Cgroups来提供容器隔离,而union文件系统用于保存镜像并使容器变得短暂。

Cgroups:Cgroups是Linux内核功能,它让两件事情变成可能:限制Linux进程组的资源占用(内存、CPU);为进程组制作 PID、UTS、IPC、网络、用户及装载命名空间。
Union文件系统:在union文件系统里,文件系统可以被装载在其他文件系统之上,其结果就是一个分层的积累变化。如下图:


union文件系统

与虚拟机的关系


用户操作Docker的容器就像操作一个快速轻量级的虚拟机一样简单。
但是它们还是有很大的区别的,看下面两幅图:


virtualization应用

docker应用

官网的说法是:虚拟机上的应用不仅包含了应用本身、必要的依赖(二进制和库包等),还包括整个操作系统;而docker应用不同,共享系统内核,仅仅包含应用本身和依赖。

docker的优势:

特性 容器 虚拟机
启动 秒级 分钟级
硬盘使用 一般为 MB 一般为 GB
性能 接近原生 弱于原生
系统支持量 单机支持上千个容器 一般几十个

docker的特性:

  • 交互式Shell:Docker可以分配一个虚拟终端并关联到任何容器的标准输入上,例如运行一个一次性交互shell
  • 文件系统隔离:每个进程容器运行在完全独立的根文件系统里
  • 写时复制:采用写时复制方式创建根文件系统,这让部署变得极其快捷,并且节省内存和硬盘空间
  • 资源隔离:可以使用cgroup为每个进程容器分配不同的系统资源
  • 网络隔离:每个进程容器运行在自己的网络命名空间里,拥有自己的虚拟接口和IP地址
  • 日志记录:Docker将会收集和记录每个进程容器的标准流(stdout/stderr/stdin),用于实时检索或批量检索
  • 变更管理:容器文件系统的变更可以提交到新的映像中,并可重复使用以创建更多的容器。无需使用模板或手动配置

详情请看:破修电脑的

打个比方


上面的概念很抽象吧,我说得通俗一些。

一般情况下

Linux(如ubuntu)运行一个应用,如tomcat,它需要依赖Java环境吧,其实就(可能)是把Java放在/usr/lib下,然后配置用户环境,使你可以在shell(如bash)上使用java指令,(可选)然后关联tomcat的bin目录下的startup.sh到用户环境上,完成上面两个步骤,就可以把tomcat运行起来。

docker方面

相对上面的tomcat例子,Docker就是通过

  1. 使用Cgroups隔离计算机资源,使计算机可以运行很多的服务;
  2. 使用Namespace分离打包服务运行时需要的所有依赖——java、tomcat,方便移植到新的计算机上,可以看下图(MacOS系统上运行docker),你会发现此容器已经有java和tomcat;


    MacOS上docker运行tomcat
  3. 使用Union文件系统,把所有的操作记录在Dockerfile(构建镜像的蓝图);
  4. 还有两个特别重要的功能,映射端口和外挂数据卷,映射端口负责接受把docker容器里的某个端口与主机某个端口绑定(请看下面的注意),外挂数据卷就是把war包放置的路径映射到主机上的某个路径,达到业务逻辑和数据持久化分割开,是不是颇有MVC的熟悉感。

注意:这里的端口映射有一个坑,在非Linux上安装docker(比如Windows和MacOS),都是在本机上安装Linux的虚拟机,所有当你在docker运行tomcat时,访问“localhost:8080”是不会有响应的,你应该把localhost换成运行此docker的Linux虚拟机的IP地址。但是在Linux上,就可以通过"localhost:8080"访问到tomcat。这坑很深,我刚接触docker就因为此坑差点放弃了。

Docker结构引擎


引擎组件图

注意上图,显示的是docker主要组件。

  1. Server,就是一个守护进程,它会一直运行在后台;
  2. REST API,说明如何与server交互和指示它执行命令;
  3. Client,是客户书写指令的地方,也俗称shell,看下图:


    iTerm运行docker
  4. Image,俗称镜像;
  5. Container,俗称容器,装载和运行镜像;
  6. Network,俗称网络,容器通过暴露端口与主机端口绑定,达到接受来自主机的信号;
  7. Volume,俗称外挂,为了能够持久化数据以及共享容器间的数据,Docker提出了Volume的概念。

正如上面提到的内容,docker的基础就是这几块内容。往深一点,就是swarm之类的云计算概念了。

Docker运行流程


docker运行流程

正如上图所示,当我们想运行一个容器的时候,docker会:

  1. 拉取镜像,若本地已经存在该镜像,则不用到网上去拉取
  2. 创建新的容器
  3. 分配union文件系统并且挂着一个可读写的层,任何修改容器的操作都会被记录在这个读写层上,你可以保存这些修改成新的镜像,也可以选择不保存,那么下次运行改镜像的时候所有修改操作都会被消除
  4. 分配网络\桥接接口,创建一个允许容器与本地主机通信的网络接口
  5. 设置ip地址,从池中寻找一个可用的ip地址附加到容器上,换句话说,localhost并不能访问到容器
  6. 运行你指定的程序
  7. 捕获并且提供应用输出,包括输入、输出、报错信息

参考 chareice写的 Docker 介绍以及其相关术语、底层原理和技术
不知道你发现没有,镜像(image)很想maven里的依赖,它们有着异曲同工之妙。

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