Docker 详解（二）：Docker 架构及工作原理

Docker 在运行时分为 Docker 引擎（服务端守护进程） 和 客户端工具，我们日常使用各种 docker 命令，其实就是在使用 客户端工具 与 Docker 引擎 进行交互。

1.客户端 Client

Docker 是一个客户端-服务器（C/S）架构程序。Docker 客户端只需要向 Docker 服务器或者守护进程发出请求，服务器或者守护进程将完成所有工作并返回结果。Docker 提供了一个命令行工具 Docker 以及一整套 RESTful API。你可以在同一台宿主机上运行 Docker 守护进程和客户端，也可以从本地的 Docker 客户端连接到运行在另一台宿主机上的远程 Docker 守护进程。

2.主机 Host（Docker 引擎）

一个物理或者虚拟的机器，用于执行 Docker 守护进程和容器。

3.镜像 Image

什么是 Docker 镜像？简单的理解，Docker 镜像就是 一个 Linux 的文件系统（Root FileSystem），这个文件系统里面包含可以运行在 Linux 内核的程序以及相应的数据。

通过镜像启动一个容器，一个镜像就是一个可执行的包，其中包括运行应用程序所需要的所有内容：包含代码、运行时间、库、环境变量和配置文件等。

Docker 把 App 文件打包成为一个镜像，并且采用类似多次快照的存储技术，可以实现：

• 多个 App 可以共用相同的底层镜像（初始的操作系统镜像）；
• App 运行时的 IO 操作和镜像文件隔离；
• 通过挂载包含不同配置/数据文件的目录或者卷（Volume），单个 App 镜像可以用来运行无数个不同业务的容器。

4.容器 Container

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。

5.镜像分层

Docker 支持通过扩展现有镜像，创建新的镜像。实际上，Docker Hub 中 $99\%$ 的镜像都是通过在 Base 镜像中安装和配置需要的软件构建出来的。

从上图可以看到，新镜像是从 Base 镜像一层一层叠加生成的。每安装一个软件，就在现有镜像的基础上增加一层。

镜像分层最大的一个好处就是共享资源。比如说有多个镜像都从相同的 Base 镜像构建而来，那么 Docker Host 只需在磁盘上保存一份 Base 镜像；同时内存中也只需加载一份 Base 镜像，就可以为所有容器服务了。而且镜像的每一层都可以被共享。

如果多个容器共享一份基础镜像，当某个容器修改了基础镜像的内容，比如 /etc 下的文件，这时其他容器的 /etc 是不会被修改的，修改只会被限制在单个容器内。这就是容器 Copy-on-Write 特性。

6.可写的容器层

当容器启动时，一个新的可写层被加载到镜像的顶部。这一层通常被称作 容器层，容器层 之下的都叫 镜像层。

所有对容器的改动，无论添加、删除、还是修改文件都只会发生在容器层中。只有容器层是可写的，容器层下面的所有镜像层都是只读的。

镜像层数量可能会很多，所有镜像层会联合在一起组成一个统一的文件系统。如果不同层中有一个相同路径的文件，比如 /a，上层的 /a 会覆盖下层的 /a，也就是说用户只能访问到上层中的文件 /a。在容器层中，用户看到的是一个叠加之后的文件系统。

文件操作	说明
添加文件	在容器中创建文件时，新文件被添加到容器层中。
读取文件	在容器中读取某个文件时，Docker 会从上往下依次在各镜像层中查找此文件。一旦找到，立即将其复制到容器层，然后打开并读入内存。
修改文件	在容器中修改已存在的文件时，Docker 会从上往下依次在各镜像层中查找此文件。一旦找到，立即将其复制到容器层，然后修改之。
删除文件	在容器中删除文件时，Docker 也是从上往下依次在镜像层中查找此文件找到 在容器层中记录下此删除操作。（只是记录删除操作）

只有当需要修改时才复制一份数据，这种特性被称作 Copy-on-Write。可见，容器层保存的是镜像变化的部分，不会对镜像本身进行任何修改。

总结下来就是：容器层记录对镜像的修改，所有镜像层都是只读的，不会被容器修改，所以镜像可以被多个容器共享。

7.数据卷 Volume

实际上我们的容器就好像是一个简易版的操作系统，只不过系统中只安装了我们的程序运行所需要的环境，前边说到我们的容器是可以删除的，那如果删除了，容器中的程序产生的需要持久化的数据怎么办呢？容器运行的时候我们可以进容器去查看，容器一旦删除就什么都没有了。

所以 数据卷 就是来解决这个问题的，是用来 将数据持久化到我们宿主机上，与容器间实现数据共享，简单的说就是 将宿主机的目录映射到容器中的目录，应用程序在容器中的目录读写数据会同步到宿主机上，这样容器产生的数据就可以持久化了，比如我们的数据库容器，就可以把数据存储到我们宿主机上的真实磁盘中。

8.注册中心 Registry

Docker 用 Registry 来保存用户构建的镜像。Registry 分为公共和私有两种。Docker 公司运营公共的 Registry 叫做 Docker Hub。用户可以在 Docker Hub 注册账号，分享并保存自己的镜像。

Docker 公司提供了公共的镜像仓库 https://hub.docker.com（Docker 称之为 Repository）提供了庞大的镜像集合供使用。

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。

9.总结

Docker 官网写着这样一句话：Build, Ship, and Run Any App, Anywhere，再结合刚才我们所理解的内容，总结下来就是：一次构建，到处运行。

此外，Docker 公司提供了公共的镜像仓库 https://hub.docker.com（Docker 称之为 Repository），GitHub connect，自动构建镜像，大大简化了应用分发、部署、升级流程。加上 Docker 可以非常方便的建立各种自定义的镜像文件，这些都是 Docker 成为最流行的容器技术的重要因素。

通过以上这些技术的组合，最后的结果就是：绝大部分应用，开发者都可以通过 docker build 创建镜像，通过 docker push 上传镜像，用户通过 docker pull 下载镜像，使用 docker run 运行容器应用。用户不再需要去关心如何搭建环境，如何安装，如何解决不同发行版的库冲突 —— 而且通常不会消耗更多的硬件资源，不会明显降低性能。