Docker容器和镜像存储机制介绍

本文主要介绍Docker容器（Container）和镜像（Image）是如何进行数据存储的。

容器如何读写文件

镜像（Image）是由若干个层（Layer）所组成的，当用户使用image运行了一个container之后，就会在这个image的最上面再加上一个可读可写的layer，如下图所示：

除了最上面那一个layer是可读写的之外，下面的所有layer都是属于image的，都是只读的。
在container运行时，任何在container文件系统中写入和修改的数据都会被写入到最上层的可读写layer（这里不包括volume、bind mount和tmpfs这些持久化存储手段），并不会影响到下面的那些只读layer。当container运行结束的时候，最上层的可读写layer就会被丢弃，而下面的那些只读layer是属于image的，并不会受到影响。
这也就是为什么使用同一个image运行container，该container结束之后，重新使用该image启动一个新的container，上一个container写入和修改的数据全都不见了，用户能看见的依旧是当初编写Dockerfile时写入该image的那些数据的原因。
如果使用同一个image启动了多个container，那么这些container会有各自的最上层的可读写layer，但是下面的那些只读layer是共用的，如下图所示：

镜像的layer管理

一个image的多个layer并不是绑定和存储在一起的，它们之间是低耦合的。
使用docker pull命令拉取一个image的时候，并不是一次性拉取的，而是一个layer一个layer地拉取，然后存储在本机（在linux上默认是/var/lib/docker//下）。
一台主机中存在多个image时，有可能会出现多个image的某些layer相同的情况，那么此时在主机中就只会存储一份该layer，而不是存储多个。
那么问题来了：既然多个layer是分开存储的，那么用户在container中却可以看到所有的layer中存储的文件，这又是怎么做到的呢？这就涉及到了union file system和union mount。
可以通过docker image history以及docker image inspect来查看某个image的所有layer。

Copy On Write

当container想要更改原本就存在于image中的那些数据的时候该怎么办呢？那些数据是位于下面那些属于image的只读层的，因此肯定不能直接修改。Docker采用的解决方案一般是copy-on-write。
当container想要读取原本就存在于image中的数据时，直接从数据所在的只读layer读取即可。而如果想要修改原本就存在于image中的数据时，Docker就会先把要被修改的文件拷贝到最上层的属于container的可读写layer中，然后再在这个可读写的layer中进行数据的修改即可。
值得一提的是，哪怕是对文件的元数据（meta data）的修改（例如修改文件权限、所属用户等等），也会触发copy-on-write机制。
Docker有多种存储引擎（storage driver），不同的storage driver对copy-on-write的具体实现是不一样的。
注意：并不是所有的Docker存储引擎都支持copy on write的，例如vfs就不支持！

查看容器占用磁盘大小

使用docker ps -s来查看一个container在运行时占用的磁盘大小，例如：

SIZE指的是该container最上层的可读写layer的大小，而virtual指的是启动了该container的image的那些只读layer的大小。
需要注意的是，通过这个命令得到的container磁盘空间大小是不包括以下这些的：

log文件所使用的磁盘空间
volume和bind mount所使用的磁盘空间
container的配置文件所使用的磁盘空间
内存交换所使用的磁盘空间
Checkpoints所使用的磁盘空间

Docker存储引擎

Docker在linux下提供了如下的存储引擎选项：

存储引擎	描述
overlay2	在linux上首选的存储引擎，不需要额外的配置
fuse-overlayfs	推荐在运行rootless的Docker时使用
btrfs和zfs	可以提供更多的功能，例如快照等等，但是需要额外的配置
vfs	目前仍处于测试中，用于不支持copy on write的文件系统中，性能堪忧，不推荐使用在生产环境中
devicemapper	在生产环境中需要direct-lvm的支持

可以通过docker info命令来查看自己使用的Docker用的是哪一个storage driver：

上图中使用的storage driver是overlay2。

参考资料

https://docs.docker.com/storage/storagedriver/