云原生时代（四）：容器和Docker
上文我们主要介绍了微服务，第四部分我们来讲云原生关键技术之一的容器及Docker。
虚拟化与容器
在容器技术之前，业界的网红是虚拟机。虚拟机技术的代表是VMWare和OpenStack，我在虚拟化与超融合系列里做过介绍。很多人都用过虚拟机，就是在操作系统里安装一个软件，然后通过这个软件，再模拟一台甚至多台“子电脑”出来。在“子电脑”里，可以和正常电脑一样运行程序，例如微信、Word。“子电脑”和“子电脑”之间，相互隔离互不影响。
虚拟机虽然可以隔离出很多“子电脑”，但占用空间大，启动慢，虚拟机软件可能还要花钱（例如VMWare）。而容器技术恰好没有这些缺点，它不需要虚拟出整个操作系统，只需要虚拟一个小规模的环境（类似“沙箱”），启动时间很快，几秒钟就能完成。而且，它对资源的利用率很高（一台主机可以同时运行几千个Docker容器）。此外它占的空间很小，虚拟机一般要几GB到几十GB的空间，而容器只需要MB级甚至KB级。虚拟机和以Docker为代表的容器都是虚拟化技术，不过容器属于轻量级的虚拟化。下面是两者的主要对比。
Docker的源起
我们再来看看Docker，Docker本身并不是容器，它是创建容器的工具，是应用容器引擎。虽然Docker 把容器技术推向了巅峰，但容器技术却不是Docker发明的。实际上，容器技术连新技术都算不上，因为它的诞生和使用有些年头了，像最早的容器LXC发布于2008年。
Docker本来是做PaaS的公司，原来叫做DotCloud，成立于2010年。但比起Pivotal、Red Hat等著名企业，DotCloud运营并不成功。眼看就要失败的时候，2013年DotCloud决定开源自己的容器项目Docker。但是短短几个月，Docker迅速崛起，吸引大量的开发者使用。随着Docker在开发者中越来越流行，2013年10月，DotCloud公司正式更名为Docker，2014年8月，Docker 宣布把PaaS业务出售，开始专心致志做Docker。
Docker一词意为码头工人，而它的logo则是一个托着许多集装箱的鲸鱼，非常形象：Docker是鲸鱼，而集装箱则是一个个的容器。在Docker的官网上，对于容器有一个一句话的解释“A standardized unit of software”，即“软件的一个标准化单元”。
下面的图片比较了Docker和传统虚拟化的不同之处，容器是在操作系统层面上实现虚拟化，而传统方式是在硬件层面实现，所以导致两者的特性有很大区别，Docker更小更轻。
Docker vs 虚拟化
而Docker与传统的Linux容器也并不完全一致。Docker技术最初是建立在LXC技术之上的，大多数人都把LXC技术与传统的Linux容器联系在一起，尽管后来它已经摆脱了这种依赖性。LXC作为轻量级虚拟化很有用，但它没有很好的开发人员或用户体验。Docker技术带来的不仅仅是运行容器的能力，它还简化了创建和构建容器、加载镜像和镜像版本控制等过程。传统的Linux容器使用可以管理多个进程的init系统，这意味着整个应用可以作为一个整体运行。Docker鼓励将应用程序分解为它们各自的进程，并提供了实现这一点的工具，这种粒度有不少优点。
传统Linux容器 vs Docker
Docker解决的问题
众所周知，Linux上我们不愉快的经历之一就是安装软件。因为系统硬件、操作系统环境不一样，软件包有不同的依赖性，所以必须要安装完软件依赖路径上的所有包，这个链条之长，往往要耗费几小时甚至几天的时间。例如下面的案例，我要安装Docker，系统提示我必须要先安装selinux-policy、selinux-policy-base、selinux-policy-targeted三个相关模块。而我安装selinux-policy的时候，又提示要先安装python；安装python的时候，又提示我要先安装_bz2、_curses、_curses_panel等等模块…
这就是由于环境不统一带来的巨大问题，每天在世界各地的数千万台机器上都会重复上演无数次。那么，如果服务器环境能够标准化，那我们安装任何软件只需要一个版本就可以解决问题。
同时，如果所有服务器环境统一、标准化，还能保留上面的配置、安装的软件和应用，对于我们来讲就更加有用。Docker正是在操作系统之上实现了这个标准化、统一化的运行环境，并且把各种不同的配置和应用存储成镜像，供未来使用。这有点类似于我们熟悉的Ghost或者虚拟光驱，把需要的环境和状态保留为镜像，随时恢复、随时使用。不过Ghost基于操作系统，镜像是一个大文件，管理起来并不方便，恢复速度也很慢，同时不支持跨平台的镜像恢复；而虚拟光驱则是基于软件层面，使用范围有限；而Docker正处于两者之间，能完成更多功能的同时，还实现了镜像的快速加载和运行。
Ghost
虚拟光驱软件
我们在上一部分讲微服务的时候，将其比喻成装配式建筑。把这个比喻用在Docker上的话，我们只要提前设计好模板（配置环境、部署软件或服务），就能在工厂（Docker）里批量化生产（说复制可能更加合适）出楼板、墙板、楼梯、阳台等构件和配件（容器所装载的、不同的微服务），这些构件在建筑施工现场经过组装拼合（API访问），就能成为各种各样的建筑（各种类型的产品和应用）。
装配式建筑由各种构件组成
Docker与各种概念的关系
所以，Docker曾经有一句Slogan叫做“Build once，Run anywhere（搭建一次，随处可用）”。
Docker的核心概念
Docker技术的三大核心概念，分别是：
• 镜像（Image）
• 容器（Container）
• 仓库（Repository）
上面的例子里，设计出来的模板就是Docker镜像，生产（复制）出来的构件就是Docker容器，而Docker仓库则是集中放置管理Docker镜像的地方。
Docker镜像是一个特殊的文件系统。它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配置参数（例如环境变量）。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。
每一种模板（镜像）能够创建出一种构件，但是模板可以由不同的设计师来设计，提供不同用途、不同风格，例如斜顶式阳台、嵌入式阳台、包豪斯风格、蒙德里安风格等等，所有人相互之间可以共享，这就形成了大的公共仓库。
Docker官方提供了Docker Hub来维护管理所有的镜像，只是对于免费用户而言,只能创建一个私有仓库。Docker Hub里提供了大量高质量的官方镜像，例如Oracle、MySQL、redis、Ubuntu、Nginx、python、Docker（Docker in Docker！）等等，开发人员需要一个环境的时候，可以直接到Docker镜像仓库去查找，减少了大量无谓的环境安装工作。
Docker Hub
Docker创始人曾经公布过一个相关数据，Docker Hub里镜像的下载数量从2014年的100万次，3年内猛增到了120亿次。
下面是我从Docker Hub上拉取一个hello world演示镜像，并且运行的示例。
Docker的好处
Docker给我们带来的好处非常多，下面简单列举几点：
• 更高效的利用系统资源
有了Docker，我们可以在一台服务器上运行很多应用，充分利用硬件资源。例如现在我们有一台Linux服务器，可以构建不同版本的Ubuntu镜像启动，并且为不同的用户分配不同的容器。这样用一台服务器就能虚拟出许多运行不同操作系统的虚拟服务器，而对于用户来说，这些都是透明的。许多公有云采用了容器技术为用户提供服务，所以虚拟化与容器共同成为了现代云计算的基石。
• 更快速的启动时间
传统的虚拟机技术启动应用服务往往需要数分钟，而Docker容器应用，由于直接运行于宿主内核，无须启动完整的操作系统，因此可以做到秒级甚至毫秒级的启动时间，大大的节约了开发、测试、部署的时间。
• 保证环境一致性
开发过程中常见的问题之一是环境一致性问题，由于开发环境、测试环境、生产环境不一致，导致有些bug并未在开发过程中被发现，而Docker的镜像提供了除内核外完整的运行时环境，确保了应用运行环境一致性，再也不会有在线下开发环境中运行正常，而部署到线上有各种错误的情况了。
• 持续交付和部署
对于开发和运维人员来说，最希望的是一次创建或配置，可以在任意地方正常运行。开发者可以使用一个标准的镜像来构建一套开发容器，开发完成之后，运维人员可以直接使用这个容器来部署代码，无论在多少台服务器中部署都是如此。Docker可以快速创建容器，快速迭代应用程序，并让整个过程全程可见。
• 更轻松的迁移
由于Docker确保了执行环境的一致性，使得应用的迁移更加容易，Docker可以在很多平台上运行，无论是物理机、虚拟机、公有云、私有云，其运行结果是一致的，因此用户可以很轻易的将在一个平台上运行的应用，迁移到另一个平台上，而不用担心运行环境的变化导致应用无法正常运行的情况。
• 提升复用性，降低耦合性，维护和扩展更轻松
Docker使用的分层存储以及镜像的技术，使得应用重复部分的复用更为容易，也使得应用的维护更新更加简单，基于基础镜像进一步扩展镜像也变得非常简单。安装Docker后，我们可以从Docker Hub上获取各种各样的操作系统镜像，这个操作很简单，只需要拉取相应的镜像到本地然后运行即可。另外我们可以将数据库、Web服务器、缓存服务器运行在不同的容器中，降低了各个服务之间的耦合性、便于扩展，Docker Hub上有各种各样的优秀镜像，我们可以直接拿来使用，不需要自己搭建，应用的部署就像搭积木一样简单。
• 实现沙盒机制，提高了安全性
由于应用运行在容器中，与操作系统隔离开，从而使操作系统基本不可能受到破坏。另外如果应用因为攻击而瘫痪，并不需要重启服务器，直接重启容器或者再启动一个镜像就可以了。
容器与微服务
容器是微服务和云原生架构的最佳实现载体。微服务与容器几乎是完美的搭配。单体式架构（Monolithic）变成微服务架构（Microservices），相当于一个全能型变成N个专能型，每个专能型分配一个隔离的容器，赋予了最大程度的灵活。
服务器势必会走上虚拟化的道路，因为虚拟化有太多的优势，例如前文所说的低成本、高利用率、充分灵活、动态调度等等。而采用容器之后，只需要一台服务器，创建十几个容器，用不同的容器，来分别运行不同用途的服务程序。这些容器，随时可以创建，也可以随时销毁。还能够在不停机的情况下，随意变大，随意变小，随意变强，随意变弱，在性能和功耗之间动态平衡。所以容器化是云计算的终极形态。
如果把传统IT架构比作传统工厂，容器化比作现代化工厂，那么下一部分我们要讲到的Kubernetes则会将现代化工厂进一步提升为智能化无人工厂。那么当Docker遇到Kubernetes之后将会发生什么有趣的事情？让我们拭目以待。
下一期内容为《云原生时代（五）：Kubernetes与容器编排之战》。
参考文档：
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极简Docker和Kubernetes发展史