Docker 镜像创建之 --- dockerfile 详解

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接上篇：https://blog.csdn.net/shenyuanhaojie/article/details/121501028

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一、联合文件系统（UnionFS）

  UnionFS（联合文件系统）是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统，它支持将对文件系统的修改作为一次提交操作来一层层的叠加，同时可以将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下。AUFS、OverlayFS 及 Devicemapper 都是一种 UnionFS。
  UnionFS 是 Docker 镜像的基础。overlay2 是目前 Docker 默认的存储驱动，以前则是 aufs。镜像可以通过分层来进行集成，基于基础镜像（基础镜像没有父镜像），可以制作各种具体的应用镜像。

特性：一次同时加载多个文件系统，但从外面看起来，只能看到一个文件系统，联合加载会把各层文件系统叠加起来，这样最终的文件系统还会包含所有底层的文件和目录。
我们下载的时候看到的一层层的就是联合文件系统。
Docker 支持的联合文件系统包括 OverlayFS,AUFS,Btrfs,VFS,ZFS,Device Mapper

overlay 存储引擎结构（区别于镜像分层）:
#overlayfs 在 linux 主机上只有两层，一个目录在下层，用来保存镜像（docker），另外一个目录在上层，用来存储容器信息
1、rootfs	基础镜像
2、lower	下层信息（为镜像层，可读）
3、upper	上层目录（容器信息,可写）
4、worker	运行的工作目录（copy-on-write写时复制-》准备容器环境）
5、merged	"视图层"（容器视图）

docker 镜像层次结构：
1、base image：基础镜像
2、image：固化了一个标准运行环境，镜像本身的功能-封装一组功能性的文件，通过统一的方式，文件格式提供出来（只读）
3、container：容器层（读写）
4、docker-server 端
5、呈现给 docker-client（视图）

Docker 核心技术－联合文件系统

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二、镜像加载原理

bootfs

• Docker 的镜像实际上由一层一层的文件系统组成，这种层级的文件系统就是UnionFS。
• bootfs 主要包含 bootloader 和 kernel，bootloader 主要是引导加载 kernel，Linux 刚启动时会加载 bootfs 文件系统。
• 在 Docker 镜像的最底层是 bootfs，这一层与我们典型的 Linux/Unix 系统是一样的，boot 加载完成之后整个内核就都在内存中了，此时内存的使用权已由 bootfs 转交给内核，此时系统也会卸载 bootfs。

rootfs

• rootfs 在 bootfs 之上。包含的就是典型 Linux 系统中的 /dev、/proc、/etc 等标准目录和文件。rootfs 就是各种不同的操作系统的发行版，比如 Ubuntu，Centos 等等。
• 一开始内核里什么都没有，操作一个命令下载 debian，这是就会在内核上面加了一层基础镜像；再安装一个 emacs，会在基础镜像上叠加一层 image；接着再安装一个 apache，又会在 images 上面再叠加一层 image。最后他们看起来就像一个文件系统即容器的 rootfs。
• 在 Docker 的体系里把这些 rootfs 叫做 Docker 的镜像。但是，此时的每一层 rootfs 都是 read-only 的，我们此时还不能对其进行操作（基础镜像不可读写）。当我们创建一个容器，也就是将 Docker 镜像进行实例化，系统会在一层或是多层 read-only 的 rootfs 之上分配一层 read-write 的 rootfs。
  

Docker 的轻量化的原因：
  因为对于精简的 OS，rootfs 可以很小，只需要包含最基本的命令、工具和程序库就可以了，因为底层直接用宿主机的 kernel，自己只需要提供 rootfs 就可以了，由此可见对于不同的 linux 发行版，bootfs 基本是一致的，rootfs 会有差别，因此不同的发行版可以公用 bootfs。

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三、Dockerfile 概述

3.1 Dockerfile 定义

• 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。
• 镜像的制作实际上就是定制每一层所添加的配置、文件。如果我们可以把每一层修改、安装、构建、操作的命令都写入一个脚本，用这个脚本来构建、定制镜像，那么镜像构建透明性的问题、体积的问题就都会解决。这个脚本就是 Dockerfile。
• Dockerfile 是一个文本文件，其内包含了一条条的指令（Instruction），每一条指令构建一层，因此每一条执行的内容，就是描述该层应当如何构建。有了 Dockerfile，当我们需要定制自己额外的需求时，只需在 Dockerfile 上添加或者修改指令，重新生成 image 即可，省去了敲命令的麻烦。
• Dockerfile 中每条指定对应 Linux 中的一条命令，Docker 程序将读取 Dockerfile 中的指令生成指定镜像。

3.2 Docker 镜像结构的分层

  镜像不是一个单一的文件，而是有多层构成。容器其实是在镜像的最上面加了一层读写层，在运行容器里做的任何文件改动，都会写到这个读写层。如果删除了容器，也就删除了其最上面的读写层，文件改动也就丢失了。Docker 使用存储驱动管理镜像每层内容及可读写层的容器层。

• Dockerfile 中的每个指令都会创建一个新的镜像层
• 镜像层会被缓存和复用（下一层执行完后的缓存会给上一层使用）
• 当 Dockerfile 的指令修改了，复制的文件变化了，或者构建镜像时指定的变量不同了，对应的镜像层缓存就会失效
• 如果某层命令修改了，当前缓存层会失效，上层引用当前缓存层的也会失效，需要重构镜像，常用于版本升级（功能修改、添加）
• 镜像层是不可变的，如果在某一层中添加一个文件，然后在下一层中删除它，则镜像中依然会包含该文件，只是这个文件在 Docker 容器中不可见了
• Docker 镜像每一层有唯一的编号，可以通过 docker history 来查看一个镜像由哪些层组成

> docker 镜像分层（基于 AUFS 构建）:
Docker 镜像位于 bootfs 之上
每一层镜像的下一层成为父镜像
第一层镜像成为 base image（操作系统环境镜像）
容器层（可读可写），在最顶层（writeout-able）
容器层以下都是 readonly

PS：
LXC 是内核中的容器技术，早期 docker 在没有将资源容器化的功能时，就是靠内核中的 LXC 来完成容器虚拟化的，现在 docker 拥有了自己的 docker libcontainer 库文件，可以做到将资源容器化的操作所以对 LXC 的依赖性大大降低。

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四、Dockerfile 操作指令

Dockerfile 文件详解
如何编写最佳的 Dockerfile

指令	含义
FROM 镜像	指定新镜像所基于的镜像，第一条指令必须为 FROM 指令，每创建一个镜像就需要一条 FROM 指令
MAINTAINER 名字	说明新镜像的维护人信息
RUN 命令	在所基于的镜像上执行命令，并提交到新的镜像中
ENTRYPOINT [“要运行的程序”,“参数1”,“参数2”]	设定容器启动时第一个运行的命令参数
CMD[“要运行的程序”,“参数1”,“参数2”]	指定启动容器时要运行的命令或脚本，Dockerfile 只能有一条 CMD 命令，如果指定多条则只能最后一条被执行
EXPOSE 端口号	指定新镜像加载到 Docker 时要开启的端口
ENV 环境变量 变量值	设置一个环境变量的值，会被后面的 RUN 使用
ADD 源文件/目录 目标文件/目录	将源文件复制到目标文件，源文件要与 Dockerfile 位于相同目录中，或者是一个 URL
COPY 源文件/目录 目标文件/目录	将本地主机上的文件/目录复制到目标地点，源文件/目录要与 Dockerfile 在相同的目录中
VOLUME[“目录”]	在容器中创建一个挂载点
USER 用户名/UID	指定运行容器时的用户
WORKDIR 路径	为后续的 RUN、CMD、ENTRYPOINT 指定工作目录
ONBUILD 命令	指定所生成的镜像作为一个基础镜像时所要运行的命令
HEALTHCHECK	健康检查

构建镜像命令（可在构建镜像时指定资源限制）示例：
docker build -t nginx:test .

• -t：tag 打标签
• -f：指定 dockerfile 目录
• .：指构建镜像时使用的环境（当前）目录，构建镜像时使用的上下文环境

在编写 Dockerfile 时，有严格的格式需要遵循：

• 第一行必须使用 FROM 指定新镜像所基于的镜像名称
• 之后使用 MAINTAINER 指令说明维护该镜像的用户信息
• 然后是镜像操作相关指令，如 RUN 指令。每运行一条指令，都会给基础镜像添加新的一层
• 最后使用 CMD 指令指定启动容器时要运行的命令操作

Docker 执行 Dockerfile 流程：

• docker 从基础镜像运行一个容器
• 执行一条指令并对容器作出修改
• 执行类似 docker commit 的操作提交一个新的镜像层
• docker 再基于刚提交的镜像运行一个新容器
• 执行 dockerfile 中的下一条指令直到所有指令都执行完成

构建镜像命令举例： docker build -t image_name . （不要忽视这个点）
使用镜像命令举例： docker run -d -P image_name
最后使用 docker ps -a 查看容器运行状态，如果是 up 状态就可以镜像测试验证了

• ADD 和 COPY 的区别：

COPY 只能用于复制，ADD 复制的同时，如果复制的对象是压缩包，ADD 还可以解压。但是 COPY 比 ADD 节省资源。

• CMD 和 ENTRYPOINT 的区别：

  CMD 设置容器启动后默认执行的命令及其参数，但 CMD 能够被 docker run 后面跟的命令行参数替换（覆盖）。如果 docker run 没有指定任何的执行命令或者 dockerfile 里面也没有 entrypoint，那么就会使用 cmd 指定的默认的执行命令执行。CMD 命令只有最后一个会生效。

  ENTRYPOINT 指定容器启动时要执行的命令，可以追加命令。ENTRYPOINT 指定的命令需要与 docker run 启动容器进行搭配，将 docker run 指令后面跟的内容当做参数作为 ENTRYPOINT 指令指定的运行命令的参数，ENTRYPOINT 指定的 linux 命令一般是不会被覆盖的。ENTRYPOINT 指令并不是必须的，因为它会增加复杂度。

总结：
CMD 是容器环境启动时默认加载的命令。
ENTRYPOINT 是容器环境启动时第一个加载的命令程序/脚本程序 init（init pid 1）

如果 ENTRYPOINT 使用了 shell 模式，CMD 指令会被忽略。
如果 ENTRYPOINT 使用了 exec 模式，CMD 指定的内容被追加为 ENTRYPOINT 指定命令的参数。
如果 ENTRYPOINT 使用了 exec 模式，CMD 也应该使用 exec 模式。
ENTRYPOINT ["sh","-c","echo $HOME"]

五、Dockerfile 镜像案例

Dockerfile 镜像案例

5.1 HTTPD

(1) 建立工作目录编写 Dockerfile 文件

[root@c7-1 ~]#mkdir /opt/apache
[root@c7-1 ~]#cd /opt/apache/
[root@c7-1 /opt/apache]#vim Dockerfile

#基于 centos:7 的基础镜像
FROM centos:7
#定义镜像的用户信息
MAINTAINER this is apache image <test>
#镜像操作指令安装 apache 软件
RUN yum -y update;yum -y install httpd
#开启 80 端口
EXPOSE 80 
#复制网站首页文件
ADD index.html /var/www/index.html

##前台启动方法一（需准备执行脚本）
#将执行脚本复制到镜像中
ADD run.sh /run.sh
RUN chmod 755 /run.sh
#启动容器时执行脚本
CMD ["/run.sh"]

##前台启动方法二（无需其他脚本）
ENTRYPOINT ["/usr/sbin/apachectl"]
#前台启动 apache，CMD 为 ENTRYPOINT 传递参数
CMD ["-D","FOREGROUND"]

(2) 准备执行脚本（前台启动方法一）

[root@c7-1 /opt/apache]#vim run.sh

#!/bin/bash
rm -rf /run/httpd/*
#清理httpd的缓存
/usr/sbin/apachectl -D FOREGROUND
#指定为前台运行

Docker 容器仅在它的 1 号进程（PID 为 1）时会保持运行。如果 1 号进程退出了，Docker 容器也会退出。

(3) 准备网页页面

[root@c7-1 /opt/apache]#echo "this is test web" > index.html
[root@c7-1 /opt/apache]#ls
Dockerfile  index.html  run.sh

(4) 生成镜像

先确保自己这有 centos:7 镜像，这里使用第一种 dockerfile

#速度和网络、主机性能等有关
[root@c7-1 /opt/apache]#docker build -t http:test1 .
......
Successfully built fba8c0058eaf
Successfully tagged http:test1
[root@c7-1 /opt/apache]#docker images	#可以看到已经构建完成，但是相比于官网下载的镜像很大，那是因为没有优化
REPOSITORY   TAG       IMAGE ID       CREATED          SIZE
http         test1     fba8c0058eaf   52 seconds ago   512MB
centos       7         eeb6ee3f44bd   2 months ago     204MB

(5) 运行容器并测试

[root@c7-1 /opt/apache]#docker run -itd --name http_test -p 11111:80 http:test1
38a79b3a18411a3c4e79046a5d576a7ce63d47422f22e19353b06817e26e733b
[root@c7-1 /opt/apache]#docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE        COMMAND     CREATED         STATUS         PORTS                                     NAMES
38a79b3a1841   http:test1   "/run.sh"   4 seconds ago   Up 3 seconds   0.0.0.0:11111->80/tcp, :::11111->80/tcp   http_test
[root@c7-1 /opt/apache]#curl http://192.168.10.20:11111
<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.1//EN" "http://www.w3.org/TR/xhtml11/DTD/xhtml11.dtd"><html><head>
<meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=UTF-8">
		<title>Apache HTTP Server Test Page powered by CentOS</title>
		<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8">
......

(6) 报错解决

如果有网络报错提示：WARNING: IPv4 forwarding is disabled. Networking will not work.

echo 'net.ipv4.ip_forward = 1' >> /etc/sysctl.conf 
sysctl -p

systemctl restart network && systemctl restart docker

5.2 NGINX

编写 Dockerfile

FROM centos:7
MAINTAINER GONGBOYI
RUN yum -y update && \
    yum -y install pcre-devel zlib-devel gcc gcc-c++ make && \
    useradd -M -s /sbin/nologin nginx
ADD nginx-1.15.9.tar.gz /usr/local/src
WORKDIR /usr/local/src/nginx-1.15.9
RUN ./configure \
    --prefix=/usr/local/nginx \
    --user=nginx \
    --group=nginx \
    --with-http_stub_status_module && make && make install
ENV PATH /usr/local/nginx/sbin:$PATH
VOLUME ["/usr/local/nginx/html"]
EXPOSE 80
CMD ["nginx","-g","daemon off;"]
#RUN echo "daemon off;" >> /usr/local/nginx/conf/nginx.conf
#CMD nginx

运行测试

docker run -itd --name nginx-v1 -P nginx:1.12.0		#我们写的镜像有自己的环境，运行不要指定 bash
#dockerfile 里面以守护进程的方式启动了 nginx
curl IP:PORT
-------------------------------------------------------
[root@c7-1 ~]#docker build -t nginx:1.15.9 .
......
Successfully built 944d66226a64
Successfully tagged nginx:1.15.9
[root@c7-1 ~]#docker images
REPOSITORY   TAG       IMAGE ID       CREATED         SIZE
nginx        1.15.9    944d66226a64   2 minutes ago   574MB
centos       7         eeb6ee3f44bd   2 months ago    204MB
[root@c7-1 ~]#docker run -itd --name nginx-test -P nginx:1.15.9
849a45b6835fa39f59b3e0da4b9d3758f1aef901f8da82eedba91d6acbfc7ce7
[root@c7-1 ~]#docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE          COMMAND                  CREATED          STATUS          PORTS                                     NAMES
849a45b6835f   nginx:1.15.9   "nginx -g 'daemon of…"   17 seconds ago   Up 16 seconds   0.0.0.0:49163->80/tcp, :::49163->80/tcp   nginx-test
[root@c7-1 ~]#curl 192.168.10.20:49163
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
    body {
     
        width: 35em;
        margin: 0 auto;
        font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
    }
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>

<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>

<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>

镜像构建过程中：
① 每一层镜像会临时产生一层新的镜像层，并且会运行为临时容器
② 每一层临时容器会基于前一层镜像的缓存层（容器）进行运行
③ 如果该镜像层的临时容器在运行时报错，会exited(非0值）退出，并且在docker ps -a 中会保存下来，同时docker build构建过程会中止
④ 在基于同一个dockerfile修改时，修改的指令对应的image镜像缓存会失效，但该镜像层之前的image层的缓存会保留

5.3 SSH

FROM centos:7
MAINTAINER this is ssh image <test>
RUN yum -y update;\
yum install -y openssh* net-tools lsof telnet passwd;\
echo '123456' | passwd --stdin root;\
sed -i 's/UsePAM yes/UsePAM no/g' /etc/ssh/sshd_config;\
#不使用PAM认证
sed -ri '/^session\s+required\s+pam_loginuid.so/ s/^/#/' /etc/pam.d/sshd;\
#取消pam限制
ssh-keygen -t rsa -A;\
#生成密钥认证文件
mkdir -p /root/.ssh;\
chown root.root /root;\
chmod 700 /root/.ssh
EXPOSE 22
CMD ["/usr/sbin/sshd","-D"]
#/usr/sbin/sshd -D 用于前台启动 sshd 服务

------------------------------------
docker build -t sshd:test .
docker images
#启动容器并修改 root 密码
docker run -itd --name sshd -P sshd:test
docker ps -a
ssh localhost -p 49154
echo '654321' | passwd --stdin root		#容器中

5.4 systemctl 镜像

FROM sshd:test
MAINTAINER this is systemctl iamge <test>
ENV container docker
#除了systemd-tmpfiles-setup.service，删除其他所有文件
RUN (cd /lib/systemd/system/sysinit.target.wants/; for i in *; do [ $i == systemd-tmpfiles-setup.service ] || rm -f $i; done);\
rm -f /lib/systemd/system/multi-user.target.wants/*;\
rm -f /lib/systemd/system/*.wants/*;\
rm -f /lib/systemd/system/local-fs.target.wants/*;\
rm -f /lib/systemd/system/sockets.target.wants/*udev*;\
rm -f /lib/systemd/system/sockets.target.wants/*initctl*;\
rm -f /lib/systemd/system/basic.target.wants/*;\
rm -f /lib/systemd/system/anaconda.target.wants/*;
VOLUME [ "/sys/fs/cgroup" ]
CMD [ "/usr/sbin/init" ]

----------------------------------------------------
#启动容器，并挂载宿主机目录挂载到容器中并进行初始化
#--privileged：使container内的root拥有真正的root权限。否则，container内的root只是外部的一个普通用户权限。
docker run -d --privileged --name systemctl -P -v /sys/fs/cgroup:/sys/fs/cgroup:ro  systemctl:test
docker exec -it systemctl bash
systemctl status sshd

5.5 Tomcat 镜像

FROM centos:7
MAINTAINER this is tomcat image <test>
ADD jdk-8u91-linux-x64.tar.gz /usr/local/
WORKDIR /usr/local/
RUN mv jdk1.8.0_91 /usr/local/java
ENV JAVA_HOME /usr/local/java
ENV JRE_HOME ${JAVA_HOME}/jre
ENV CLASSPATH .:${JAVA_HOME}/lib:${JRE_HOME}/lib
ENV PATH $JAVA_HOME/bin:$PATH
ADD apache-tomcat-8.5.16.tar.gz /usr/local/
WORKDIR /usr/local/
RUN mv apache-tomcat-8.5.16 /usr/local/tomcat
EXPOSE 8080
ENTRYPOINT [ "/usr/local/tomcat/bin/catalina.sh","run" ]

-----------------------------------------------------------
docker build -t tomcat:test .
docker run -d --name tomcat -P tomcat:test
docker ps -a
curl IP:PORT

六、Dockerfile 优化

 emsp;我们在自己构建镜像的时候会发现官网上下的镜像比我们自己构建的镜像小很多，这是为什么呢？官网上下的镜像都经过了优化，常用的优化方式有以下几种：

• 不需要输出的指令丢入 /dev/null
• 减少 RUN 构建
• 多阶段构建（使用 FROM 命令生成多个镜像，将指定的镜像做为其他镜像的基础镜像环境来构建）
• 使用更为轻量级的 linux 发行版本（ubuntun，debian，alpine …）
• 优化网络请求（使用一些镜像源或者在 dockerfile 中使用互联网上的 url 时，用一些网络比较好的开源站点，这样可以节约时间、减少失败率）

不需要输出的指令丢入 /dev/null

FROM centos:7
RUN yum install -y gcc pcre pcre-devel devel zlib-devel make &> /dev/null && yum clean all
ADD nginx-1.12.2.tar.gz /mnt
WORKDIR /mnt/nginx-1.12.2
#关闭debug日志
RUN sed -i 's/CFLAGS="$CFLAGS -g"/#CFLAGS="$CFLAGS -g"/g' auto/cc/gcc
RUN ./configure --prefix=/usr/local/nginx &> /dev/null
RUN make &> /dev/null
RUN make install &> /dev/null
RUN rm -rf /mnt/nginx-1.12.2
EXPOSE 80
VOLUME ["/usr/local/nginx/html"]
CMD ["/usr/local/nginx/sbin/nginx""-g","daemon off;"]

减少 RUN 构建

FROM centos:7
ADD nginx-1.12.2.tar.gz /mnt 
WORKDIR /mnt/nginx-1.12.2
RUN yum install -y gcc pcre pcre-devel devel zlib-devel make &> /dev/null && \
 yum clean all && \
 sed -i 's/CFLAGS="$CFLAGS -g"/#CFLAGS="$CFLAGS -g"/g' auto/cc/gcc && \
 ./configure --prefix=/usr/local/nginx &> /dev/null && \
 make &> /dev/null && make install &> /dev/null &&\
 rm -rf /mnt/nginx-1.12.2
EXPOSE 80
VOLUME ["/usr/local/nginx/html"]		##挂载；若是不指定挂载点，默认是/var/lib/docker/volumes/容器id/_data
CMD ["/usr/local/nginx/sbin/nginx","-g","daemon off;"]

多阶段构建

FROM centos:7 as build 
ADD nginx-1.12.2.tar.gz /mnt 
WORKDIR /mnt/nginx-1.12.2
RUN yum install -y gcc pcre pcre-devel devel zlib-devel make &> /dev/null && \
 yum clean all && \
 sed -i 's/CFLAGS="$CFLAGS -g"/#CFLAGS="$CFLAGS -g"/g' auto/cc/gcc && \
 ./configure --prefix=/usr/local/nginx &> /dev/null && \
 make &>/dev/null && \
 make install &>/dev/null && \
 rm -rf /mnt/nginx-1.12.2 
 
FROM centos:7 
EXPOSE 80
VOLUME ["/usr/local/nginx/html"]
COPY --from=build /usr/local/nginx /usr/local/nginx
CMD ["/usr/local/nginx/sbin/nginx","-g","daemon off;"]

---------------------------------------------------------------

docker build -t nginx:test .