Docker学习笔记（一）——基本概念

前言

• 《Docker Practice（Docker从入门到实践）》学习笔记
  这本书讲的非常清晰透彻，细节内容也非常全面。因此，关于这本书的学习笔记，我希望可以注重对其逻辑和思维的总结，而不是仅仅罗列知识点。
  书中的语言实在是非常简练且清晰，单纯总结成点会缺少很多思维上的逻辑连贯性，完全罗列又会显得过于复杂。因此我将以下面这种方式来进行学习：

  • 对重要的知识点或概念进行引用
  • 在知识点后加入自己的理解，或是对其概括总结
  • 一个知识块结束，对整个块的内容总结

Docker定义

Docker 使用 Google 公司推出的 Go 语言 进行开发实现，基于 Linux 内核的 cgroup，namespace，以及 AUFS 类的 Union FS 等技术，对进程进行封装隔离，属于操作系统层面的虚拟化技术。由于隔离的进程独立于宿主和其它的隔离的进程，因此也称其为容器。
Docker 在容器的基础上，进行了进一步的封装，从文件系统、网络互联到进程隔离等等，极大的简化了容器的创建和维护。使得 Docker 技术比虚拟机技术更为轻便、快捷。

Docker的三个基本概念

• 镜像（Image）
• 容器（Container）
• 仓库（Repository）
  Docker的这三个基本概念，确定了Docker的整个生命周期，我们不仅仅需要理解每一个单独的概念，更需要理解这三者之间的相互关系。

Docker镜像（Image）

操作系统分为内核和用户空间。对于Linux而言，内核启动后，挂载root文件系统为其提供用户空间支持。而 Docker 镜像（Image），就相当于是一个root文件系统。比如官方镜像 ubuntu:16.04 就包含了完整的一套 Ubuntu 16.04 最小系统的root文件系统。
Docker 镜像是一个特殊的文件系统，除了提供容器运行时所需的程序、库、资源、配置等文件外，还包含了一些为运行时准备的一些配置参数（如匿名卷、环境变量、用户等）。镜像不包含任何动态数据，其内容在构建之后也不会被改变。

• Docker镜像是一个特殊的文件系统
• 功能： 为容器运行提供必要的（1）程序、库、资源、配置等文件及（2）配置参数（匿名卷、环境变量、用户等）
• 要求：
  • 不包含动态数据
  • 其内容在构建之后不会改变

小结：
这段内容给出了Docker镜像的定义：Docker镜像本质是一个文件系统，功能是提供了Docker容器运行所需环境的所有内容，对于镜像文件的要求是不能包含动态文件且内容构建后不会发生改变。

分层存储

因为镜像包含操作系统完整的 root 文件系统，其体积往往是庞大的，因此在 Docker 设计时，就充分利用Union FS的技术，将其设计为分层存储的架构。

镜像构建时，会一层层构建，前一层是后一层的基础。每一层构建完就不会再发生改变，后一层上的任何改变只发生在自己这一层。

在构建镜像的时候，需要额外小心，每一层尽量只包含该层需要添加的东西，任何额外的东西应该在该层构建结束前清理掉。

分层存储的特征还使得镜像的复用、定制变的更为容易。甚至可以用之前构建好的镜像作为基础层，然后进一步添加新的层，以定制自己所需的内容，构建新的镜像。

这部分内容实际是对Docker镜像的要求做出解释：包含动态数据必然会导致镜像文件体积变大，内容在构建之后不发生变化则能保证对镜像的复用，同时也是Docker本身定位的要求。

Docker容器（Container）

容器与镜像的关系：

镜像（Image）和容器（Container）的关系，就像是面向对象程序设计中的 类 和 实例 一样，镜像是静态的定义，容器是镜像运行时的实体。容器可以被创建、启动、停止、删除、暂停等。

容器的本质及特征：

容器的实质是进程，但与直接在宿主执行的进程不同，容器进程运行于属于自己的独立的 命名空间。因此容器可以拥有自己的 root 文件系统、自己的网络配置、自己的进程空间，甚至自己的用户 ID 空间。

容器内的进程是运行在一个隔离的环境里，使用起来，就好像是在一个独立于宿主的系统下操作一样。这种特性使得容器封装的应用比直接在宿主运行更加安全。

• 容器本质是进程
• 容器基于Docker镜像，容器进程本身具有程序运行的所有环境，因此独立运行，与宿主系统同相互隔离。

容器存储层

每一个容器运行时，是以镜像为基础层，在其上创建一个当前容器的存储层，我们可以称这个为容器运行时读写而准备的存储层为容器存储层。

容器存储层的生存周期和容器一样，容器消亡时，容器存储层也随之消亡。因此，任何保存于容器存储层的信息都会随容器删除而丢失。

按照 Docker 最佳实践的要求，容器不应该向其存储层内写入任何数据，容器存储层要保持无状态化。所有的文件写入操作，都应该使用 数据卷（Volume）、或者绑定宿主目录，在这些位置的读写会跳过容器存储层，直接对宿主（或网络存储）发生读写，其性能和稳定性更高。

数据卷的生存周期独立于容器，容器消亡，数据卷不会消亡。因此，使用数据卷后，容器删除或者重新运行之后，数据却不会丢失。

• 定义：以镜像为基础层，在其上创建一个当前容器的存储层
• 生存周期：随容器的消亡而消亡，存储的信息也随容器删除而丢失
• 要求：容器不应该向其存储层内写入任何数据，容器存储层要保持无状态化
• 数据存储：使用 数据卷（Volume）、或者绑定宿主目录

Docker仓库（Registry）

镜像构建完成后，可以很容易的在当前宿主机上运行，但是，如果需要在其它服务器上使用这个镜像，我们就需要一个集中的存储、分发镜像的服务，Docker Registry 就是这样的服务。

一个 Docker Registry 中可以包含多个仓库（Repository）；每个仓库可以包含多个标签（Tag）；每个标签对应一个镜像。

通常，一个仓库会包含同一个软件不同版本的镜像，而标签就常用于对应该软件的各个版本。我们可以通过 <仓库名>:<标签> 的格式来指定具体是这个软件哪个版本的镜像。如果不给出标签，将以 latest 作为默认标签。

以 Ubuntu 镜像 为例，ubuntu 是仓库的名字，其内包含有不同的版本标签，如，14.04, 16.04。我们可以通过 ubuntu:14.04，或者 ubuntu:16.04 来具体指定所需哪个版本的镜像。如果忽略了标签，比如 ubuntu，那将视为 ubuntu:latest。

仓库名经常以 两段式路径 形式出现，比如 jwilder/nginx-proxy，前者往往意味着 Docker Registry 多用户环境下的用户名，后者则往往是对应的软件名。但这并非绝对，取决于所使用的具体 Docker Registry 的软件或服务。

Docker仓库的作用是为了让Docker镜像可以被广泛使用，其模式类似于GitHub的功能。

Docker Registry 公开服务

Docker Registry 公开服务是开放给用户使用、允许用户管理镜像的 Registry 服务。一般这类公开服务允许用户免费上传、下载公开的镜像，并可能提供收费服务供用户管理私有镜像。

最常使用的 Registry 公开服务是官方的 Docker Hub，这也是默认的 Registry，并拥有大量的高质量的官方镜像。除此以外，还有 CoreOS 的 Quay.io，CoreOS 相关的镜像存储在这里；Google 的 Google Container Registry，Kubernetes 的镜像使用的就是这个服务。

由于某些原因，在国内访问这些服务可能会比较慢。国内的一些云服务商提供了针对 Docker Hub 的镜像服务（Registry Mirror），这些镜像服务被称为加速器。常见的有 阿里云加速器、DaoCloud 加速器 等。使用加速器会直接从国内的地址下载 Docker Hub 的镜像，比直接从 Docker Hub 下载速度会提高很多。在 安装 Dcoekr 一节中有详细的配置方法。

国内也有一些云服务商提供类似于 Docker Hub 的公开服务。比如 时速云镜像仓库、网易云镜像服务、DaoCloud 镜像市场、阿里云镜像库 等。

私有 Docker Registry

除了使用公开服务外，用户还可以在本地搭建私有 Docker Registry。Docker 官方提供了 Docker Registry 镜像，可以直接使用做为私有 Registry 服务。在 私有仓库 一节中，会有进一步的搭建私有 Registry 服务的讲解。

开源的 Docker Registry 镜像只提供了 Docker Registry API 的服务端实现，足以支持 docker 命令，不影响使用。但不包含图形界面，以及镜像维护、用户管理、访问控制等高级功能。在官方的商业化版本 Docker Trusted Registry 中，提供了这些高级功能。

除了官方的 Docker Registry 外，还有第三方软件实现了 Docker Registry API，甚至提供了用户界面以及一些高级功能。比如，VMWare Harbor 和 Sonatype Nexus。

总结

Docker的三个概念，镜像（Image）、容器（Container）和仓库（Repository），定义了Docker的整个工作模式。镜像是一个文件系统，为容器提供所需的运行环境；容器运行时基于镜像提供的环境，从而达到和宿主系统的环境隔离；为了能让镜像大量复用和广泛使用，提出了仓库的概念，且Docker仓库和GitHub很相似。
本文内容是从整体上来介绍Docker，说明Docker中三个基本概念的功能和定位，从而在整体上来理解Docker。之后会对各个模块进行更细致的学习。