Docker杂谈
Docker这两年可谓大红大紫，仿佛一夜之间，街坊邻居茶余饭后都在说Docker，我这也掰扯掰扯Docker那点儿事情，免得不好意思跟人搭讪~~
本文有点儿杂，笔者一直在思考，为什么用Docker，Docker到底能做到什么，不能做到什么，什么样的用法是正确的，围绕着这些，总结了这么一篇文章。
发文目的是为了交流观点，文中认识若有偏差，还请不吝赐教，我始终认为不断交流沟通总结才是进步的最快阶梯。
1. Docker为啥火了？
1.1. 虚拟机的痛点
传统云平台上的虚拟机，为了兼容各种系统，都在宿主机上再虚拟了一层硬件层，业务系统都运行在这层虚拟硬件层之上，意识不到托管主机的存在，并且因为这种虚拟硬件的隔离性，使得虚拟主机操作系统可以不用意识宿主机系统特性而运行，这种特性最大的受益者曾经是陈旧服务器上的老系统，因为硬件老化，这些系统都面临着无法运行的风险，但是虚拟机的出现，使得这种系统可以顺利迁移到新服务器上继续提供服务，大大降低了企业IT投入成本。
曾经，虚拟机就是很多需求的最终解决方案，老系统只要虚拟好硬件就可以继续工作无需更换，新系统在云上申请几个主机（而不用花大价钱去搞几个刀片）就可以运行，还不用担心硬件升级的成本，生活多么美好。
但是，时代变了，需求变了。
如今物联网时代，公众系统都面临动辄上千万客户的冲击，很多系统都需要管理上千台服务器。在这种背景下，性能的弹性扩张，故障的自我愈合，部署的自动化等需求变得极为迫切。（此处可以闭上眼睛）想象一下一台虚拟机镜像部署上千台服务器的盛景，想象一下当用户潮汐涌来时虚拟机那扩张的缓慢景象，再想象一下突然因为一个小需求的修改，大批服务器又要重新规划上线部署的痛苦。如今背景下必须得寻找到一个更合适的方案来应对这些。
1.2. 新的需求
虚拟机的速度，弹性已经很难应对如今快速变化的世界，IT业界必须寻找一个更快，更轻量的方案来应对。
1. 部署要快，能够通过几个简单命令就能完成大规模（很多时候都是上千服务器实例）新系统的自动部署。并且这样的部署重启最好是秒级的。
2. 弹性扩张要快，平时系统都能稳定运行，到了双11就应对不了直接宕机，这是无法接受的，但是也不能因为一年一度的双11就购买大量的昂贵硬件来应对，用户更希望能够通过客户使用量来进行灵活弹性伸缩，能够在几秒之内就扩张大量的实例来应对使用量潮汐。
3. 版本更新或者故障恢复时也要快，并且要尽量少进行手动干预。
4. 能够充分利用宿主机资源，这个需求也许没那么强烈，因为就算是有损耗，还可以堆硬件来弥补这样的问题。榨干宿主机资源也许是作为IT人的一个目标。
说了这么多，就是让Docker能够用一个优雅的姿势闪亮登场。
2. 实现Docker的技术基础
虚拟机的劣势自然就是Docker的优势，启动快，便于部署，因为没有虚拟硬件层因此性能损耗小，而运行环境基本上做到了隔离，不会对宿主机造成影响（注意“基本上”这个词，因为共享内核，理论上某一个容器破坏内核搞掉整台宿主机是可以的）。
Docker使用的技术基础，都不是什么新东西，但是Docker用go语言将其捏合到了一起，后面我们讨论Docker各种效率问题的时候也会发现，其实我们讨论的更多的是Linux本身的特性，Docker只是将这些特性组合到了一起而已。
使用的核心几个技术都在下面的图中：
2.1. 名字空间（namespace）技术
洪荒时代（其实是1979年，也没那么久远），Unix出现了一种技术，叫做chroot（change root directory），可以在UNIX系统上创造一个封闭的目录空间，程序就直接在这个封闭目录空间中运行而不影响系统整体，是系统环境隔离的雏形。这技术非常成熟，我最近一次用还是在chroot空间里面自己编译LFS系统，但是其沉寂了很久没有继续发展，也许是没有需求就没有推动动力吧。
2002年，从Linux kernel 2.4.19开始，linux加入了一个新的技术，叫做名字空间（namespace），这项技术提供了更丰富的隔离方案，不仅仅能够进行目录隔离了，连PID，UID，UTS（host），NET，IPC，MNT都能够进行隔离。下面这个表格可以看到如今的Linux内核都支持那些隔离内容，基本上已经能够满足一般应用的隔离需要了。
| 分类 | 系统调用参数 | 相关内核版本 |
|---|---|---|
| Mount namespaces | CLONE_NEWNS | Linux 2.4.19 |
| IPC namespaces | CLONE_NEWIPC | linux 2.6.19 |
| UTS namespaces | CLONE_NEWUTS | Linux 2.6.19 |
| PID namespaces | CLONE_NEWPID | Linux 2.6.24 |
| Network namespaces | CLONE_NEWNET | 始于Linux 2.6.24 完成于 Linux 2.6.29 |
| User namespaces | CLONE_NEWUSER | 始于 Linux 2.6.23 完成于 Linux 3.8 |
更详细的内容可以参照这个：Namespaces in operation
2.2. Cgroup（Control Group）
隔离了进程的运行环境，但是各个进程的资源还是共享的，一个进程如果消耗资源太多，别的进程就活不下去了，这是无法接受的，虚拟机的资源隔离就做的很好，各个虚拟机就按照事先分配好的资源，在其配额内运行，互不打扰。
Cgroup的详细信息可以参照：Using Control Groups
cgroup的基本原理如下图，如果想控制某一个进程，只要建立好cgroup文件，然后将相应的进程ID放进去就可以了。
作为Docker使用者，只要了解其能够控制那些内容就可以了：
| 分类 | 系统调用参数 |
|---|---|
| cpu | 指定CPU时间配额，这是一个相对的概念，例如如果两个容器都被分配了50，那么这两个容器应该平分CPU时间，也就是50%，如果再加一个是100，那之前两个容器只能各分到25% |
| cpuset | 在多核系统中，指定分配哪几个CPU核心给该组下的进程使用 |
| blkio | 用于分配磁盘IO速度配额 |
| memory | 用于分配内存限额，此处一定要小心，如果超出限额，Linux会杀死这个进程（报Out Of Memory错误） |
| net_cls | 用于分配网络流量配额 |
| device | 可以允许或者拒绝cgroup中的进程访问设备 |
| freezer | 用于挂起和恢复cgroup中的进程 |
2.3. Docker镜像（Docker image）存储技术
话不多说先扔个图上来，没看过这图的先盯着这个图看上一分钟：
在Linux世界，提到image这个词儿，第一个反应想必是LiveCD，通过一张光盘，就可以引导系统，甚至可以在系统上做修改，并且这样的修改不会反映到LiveCD中，而保存在别的什么地方，下一次你再启动这个LiveCD，之前的修改还会看到。
神奇吗？Docker镜像/容器存储的原理和这个差不多，先创建一个基础镜像层，然后将其他定制化修改也按照层的形式一层层的叠加，最后就成为了最终的镜像，读取这个镜像和平时Linux mount 一个普通镜像没有任何分别，特别的是，容器在启动的时候，为了支持写操作，又在上面加了一个读写层。所有被修改的文件的内容都会保存在这里。底层的镜像层就会被多个容器所共享，可供反复读取与启动。
因为历史原因，Docker并没有提供统一的存储方案，而是用插件驱动形式提供了好几种存储方案，包括AUFS，DeviceMapper，OverlayFS，Overlay2等等（还有几个酱油方案），下面挑几个主流方案讲讲。
1. AUFS（advanced multi-layered unification filesystem）：
要说AUFS，我认为它不算一个文件系统，被称作一个多层文件组织方式也许更合适一些，可以在同一个文件夹下面进行层层叠加，对于同样的文件，选取其中一个文件呈现在用户面前，这实在是太符合Docker的设计理念了，自然而然就成为Docker长久以来默认的文件系统。如果你用Ubuntu/Debian，默认就会用到它，但是Linux Kernel团队不喜欢它，AUFS作者也放弃加入内核的努力了，所以在其他版本，尤其是Redhat系列版本上，都不会出现它的身影。
2. DeviceMapper：
这技术有点儿意思，以前存储设备可以挂到各个文件夹下面使用，但是各个设备资源不能互通，比如说，有两个1T硬盘，但是想存1.5T的内容，这事儿以前是没得搞的，你总不能把1.5T的文件中间一刀切开然后分别存储吧，但是DeviceMapper技术解决了这个问题，它把两个设备做成一个虚拟设备，然后系统访问这个虚拟设备就可以了，不用关心下面存储调度的细节。更牛逼的是，这个虚拟设备可以混合虚拟设备，成为了一个递归的结构，其理论上可以无限扩展其存储。我在Docker里面看到这个技术的时候，我的第一反应是，这玩意跟Docker镜像分层技术有什么关系？为什么要用这个技术来做一个实现？这就要说Linux kernel团队了，AUFS他们不喜欢，但是他们很喜欢DeviceMapper，把它做进了Kernel Mainline里面，为了保证兼容性和可维护性，Docker技术做了一个折衷策略，使用DeviceMapper的Thin Provisioning Snapshot技术，来保证对于Redhat系列Linux的兼容。原理图就是下面这个：
只是为了兼容性硬贴上去的技术，效率能好到哪里去啊，所以这项技术在Docker世界里面被黑就是很正常的事情了，不推荐使用。
3. OverLayFS：
AUFS的层次比较复杂，而且兼容性存在问题；DeviceMapper倒是血统正了，但是跟分层技术风马牛不相及，并且IO速度被人黑成了碳。OverLayFS天生就分成了两层，一个Upper层，还有一个Lower层，这大大简化了层次结构，从Linux Kernel 3.18开始支持这种格式，所以它也是一个正统血统的解决方案，兼容性没有问题，性能也不差，因此推荐使用。
几个小话题：
- Docker commit 命令是如何实现的？自然是把读写层固化，直接做成镜像层的一部分了而已。
- 磁盘IO效率问题其实跟Docker本身关系不大了，那完全是镜像文件系统和读写层驱动来决定的，后面也会提到。
- Linux发行版真是多如牛毛，但是万变不离其宗，基本结构都是 内核 + 包管理器 + 周边运行环境，特别是内核，都可以互换，也就是说，用CentOS的内核，给加上Debian的deb包，一样会跑的溜的飞起，DockerHub上的各种发行版的Docker镜像，就是基于这种原理做出来的，而且都可以互换运行。
3. Docker的效率
提到虚拟化，第一反应肯定是效率问题，Docker真的快吗？我们从几个维度来讨论一下Docker容器在性能上的表现如何，以及为什么它会这样。
3.1. CPU效率
通过上面的讨论，我们知道，Docker并没有对于CPU有任何类似于虚拟机一样的虚拟指令化的操作，Docker用的就是实际的CPU来进行计算，仅仅是用cgroup进行了一点儿隔离而已，因此在这个维度，CPU的损耗几乎可以忽略不计，Docker里面的进程和Native的进程没任何区别，事实上各种Performance报告也证实了这一观点，IBM那份儿著名的报告里面，Docker的CPU效率和Navite进程的效率相差无几。
参考：效率比对图
自然的，Docker也提供了参数可以限制其CPU资源占用率，可以按照实际情况进行分配，管理方法和管理Navite进程一样。
3.2. 内存效率
内存这个维度的情况和CPU类似，Docker并没有任何内存页虚拟映射等操作，都是直接向内核申请内存并直接进行读写，因此，此处的性能也和Navite进程无异，不再赘述。
参考：效率比对图
同样的，Docker也提供了参数来限制每个容器的内存使用量。
3.3. 存储效率
关于存储话就有点儿长，这要分几条来进行讨论。
1. AUFS：
AUFS不算一个文件系统，它必须跟后面的设备读写驱动一起工作才可以（比如ext4, xfs ）。因此，对于新文件的读写，其实说的就是ext4和xfs的性能，这跟普通的Native程序读写没有太大的区别。
2. DeviceMapper：
之前说过，这种技术本质上是一种设备管理方案。他压根就没有分层的概念，而且默认的读写方式是loop-lvm方式，IO非常差，必须更改成Direct-lvm才可以，有这个大坑我觉得这种方案不用也罢，就算是在Redhat系列上也不用它。
3. OverlayFS：
这个解决方案是目前平衡性最好的解决方案。虽然因为inode会被耗尽的bug，它被黑了很久，但是，无论从血统上来讲，还是其本身的技术特征与Docker的契合度来讲，它是平衡性比较好的解决方案。建议在生产环境中使用它。它的读写效率也是跟读写文件系统的驱动有关，跟它本身没有太大的关系。
4. Overlay2：
这是下一代的解决方案了，其设计理念天然解决了inode消耗的问题，但是还处于试验阶段，是将来解决Docker存储问题的希望。
5. Volume挂载：
这是容器内外映射的一种方式，仅仅调用了linux标准的 mount 功能，因此读写效率和Native的mount之后读写没有区别。
综上，在创建新文件，读写新文件情况下，AUFS，OverlayFS都和Native效率差不多，DeviceMapper必须要管理裸设备才能让自己的IO跟上，DeviceMapper（loop-lvm）的IO效率最差。
这幅图是官方推荐的各种解决方案的概要，以供参考：
3.4. 网络效率
这也是一个值得细细讨论的问题，也分几种情况说说。
1. HOST模式：
我们曾经说过，Linux内核的Namespace技术可以个Docker提供一个独立的网络栈来使用，但是HOST不同，它直接和宿主机共享网络栈，简而言之，你如果打算追求效率的话，那就来用HOST模式吧，没有任何效率损失，其共享的程度甚至达到了连端口都会冲突，因此，在带来效率的同时，还要注意这部分的冲突问题。
2. Bridge模式：
Docker在宿主机虚拟了一个网卡叫做Docker0，所有和外部的通信都通过Docker0来进行转发，这样就达到了内部网络栈的一个独立性和可访问性，如下图：
一个数据包要走出去或者走进来，层次增加了不止一个，既有NAT，又有Iptable，效率不差才怪，事实也确实证明了这一点。如下图：
和Native相比，响应速度损失不止一倍，比KVM还差。
3. Overlay网络模式：
之前的两种模式仅仅是在一个主机内部，但是我们的使用场景通常都是跨主机的，服务之间要通过跨主机进行通信，这通常的做法是：
1. 上一个服务注册发现中心，比如Docker用的consul
2. 每台服务主机上都加一个agent，所有跨主机通信，都走这个agent，用UDP进行转发，可以参考下面的图。
在两侧都搞NAT！都要走虚拟网卡！之前已经慢了很多了，这次要慢多少，自己可以计算一下。当然，这不是说Overlay网络不能用，事实上生产环境也用了很多，但是用之前一定要知道要付出什么代价，在代价与收获之间做出权衡。
3.5. 共享内核参数问题
原则上，容器之间共享内核，宿主机内核的参数调整自然会影响在其上运行的所有容器，但是从Docker 1.12开始，这个情况有了改变，为了能够让各个容器能有限的进行一些内核参数的调整，特别是针对TCP/IP协议栈（net.*）能够进行参数调整，docker run 增加了 sysctl 参数，允许用户能够修改适用于namespace隔离的内核参数。如下：
| 类别 | 可配置内核参数 |
|---|---|
| IPC Namespace | kernel.msgmax, kernel.msgmnb, kernel.msgmni, kernel.sem, kernel.shmall, kernel.shmmax, kernel.shmmni, kernel.shm_rmid_forced Sysctls beginning with fs.mqueue.* |
| Network Namespace | Sysctls beginning with net.* |
但是这毕竟有限，更多的参数在这里面是设置不了的。
4. 使用Docker的几点忠告
讲了这么多，我想关于Docker应该有一点儿大致的印象了吧。最后再罗嗦几点。
4.1. 业务服务无状态化
Docker最大的特点就是轻量，启动速度快，扩张快，部署快，因此具体实现业务的服务，都应该放在Docker里面进行部署，但是一定要强调，并且一定要保证无状态化，这是快速扩张，自主更新的基础。
无状态化包括：
1. 没有Session
2. 磁盘中没有任何中间结果文件
3. 内存中没有任何处理中间结果，状态
比较现实的替代方案是Redis，NFS文件共享等等。
4.2. 使用服务名访问其他容器
一个生产环境主机肯定不止一台，服务肯定也是很多，因此跨主机访问容器不可避免，尤其时下Rancher，kubernetes这些都有资源调度机制，能够对各个服务的容器进行动态迁移，因此使用IP地址直接进行访问显然是不现实的，幸好这种带有资源调度的套件都有各自的DNS查询方式，可以通过服务名直接访问到后面的容器，因此，将有关联的业务服务都放在一个网络里面去吧，事半功倍，保持最大的灵活性。
4.3. 针对某些对内核参数有要求的服务，采取独立的资源调度机制
Docker容器是共享内核的，而内核很多参数都不是独立的，因此，在内核里面更改了参数，会对其上所有容器造成影响，某些参数对某些服务很有效，对其他服务就是副作用，针对这种情况，推荐采取特化的方式，让那样的服务独立部署在特定调整好内核的宿主机上吧。
4.4. 针对内核版本敏感的服务，配给特定版本内核的服务器
总会有这样的服务存在，所以在将服务迁移到Docker之前要仔细的检查内核兼容性问题，确保服务能够正确运行，时刻谨记，内核是被共享的，Docker不是完全隔离的！
4.5. 计算好每个容器的性能容量，并规定上限
虚拟机时代，不规划好资源，虚拟机根本无法启动，所以这根本不是一个问题，但是到了容器时代，就算是不规定上限，Docker也能跑，但是因为所有的容器都共享一个宿主机的资源，因此容器互相挤占，某些容器无端占用资源（内存泄漏之类），就会把别的容器挤死。所以，还是事先规划好容量吧，至少把资源侵占问题能够控制在一个容器之内。
4.6. 基础服务需要容器化吗？
这里留了一个问号，也许你有很大的冲动恨不得把所有的服务，包括nginx，mysql，redis都给容器化了，这些服务都是有状态的，非常难迁移，做动态扩展，并且在网络IO上，在磁盘IO上，Docker都有各种各样的问题。所以，对于这些服务，一定要谨慎，好好的检讨，到底要不要容器化。
4.7. 为了能够快速扩张，事先在宿主机上加载基础镜像
Docker的快速启动让人津津乐道，但是Docker容器在启动的时候需要先将Docker镜像拉下来，然后再启动，如果镜像比较大，那网络传输时间消耗也是不可小视的，因此，预先为各个宿主机先传输好镜像吧，这样“有备无患”，需要的时候，容器马上就能启动并投入工作。