Docker——镜像原理之联合文件系统和分层理解

1、联合文件系统

UnionFS( 联合文件系统）

UnionFS( 联合文件系统）：Union文件系统(UnionFS )是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统，它支持对文件系统的修改作为一次提交来一层层的叠加，同时可以将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下(unite several directories into a single virtualfilesystem)。Union文件系统是Docker镜像的基础。镜像可以通过分层来进行继承，基于基础镜像（没有父镜像），可以制作各种具体的应用镜像。

另外，不同 Docker 容器就可以共享一些基础的文件系统层，同时再加上自己独有的改动层，大大提高了存储的效率。

Docker 中使用的 AUFS（AnotherUnionFS）就是一种联合文件系统。 AUFS 支持为每一个成员目录（类似 Git 的分支）设定只读（readonly）、读写（readwrite）和写出（whiteout-able）权限, 同时 AUFS 里有一个类似分层的概念, 对只读权限的分支可以逻辑上进行增量地修改(不影响只读部分的)。

Docker 目前支持的联合文件系统种类包括 AUFS, btrfs, vfs 和 DeviceMapper。

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会包含所有底层的文件和目录。

base 镜像

base 镜像简单来说就是不依赖其他任何镜像，完全从0开始建起，其他镜像都是建立在他的之上，可以比喻为大楼的地基，docker镜像的鼻祖。

base 镜像有两层含义：（1）不依赖其他镜像，从 scratch 构建；（2）其他镜像可以之为基础进行扩展。

所以，能称作 base 镜像的通常都是各种 Linux 发行版的 Docker 镜像，比如 Ubuntu, Debian, CentOS 等。

Docker 镜像加载原理

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。

典型的 Linux 启动到运行需要两个FS，bootfs + rootfs：

bootfs(boot file system)主要包含 bpotloader 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，包含boot加载器bootloader和内核kernel。当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 (root file system)，在bootfs之上。包含的就是典型Linux系统中的/dev, /proc, /bin， /etc等标准目录和文件。roots就是各种不同的操作系统发行版，比如Ubuntu，Centos等等。

Docker 镜像中为什么没有内核

从镜像大小上面来说，一个比较小的镜像只有1KB多点，或几MB，而内核文件需要几十MB， 因此镜像里面是没有内核的，镜像在被启动为容器后将直接使用宿主机的内核，而镜像本身则只提供相应的rootfs，即系统正常运行所必须的用户空间的文件系统，比如/dev/，/proc，/bin，/etc等目录，所以容器当中基本是没有/boot目录的，而/boot当中保存的就是与内核相关的文件和目录。

由于容器启动和运行过程中是直接使用了宿主机的内核，不会直接调用过物理硬件，所以也不会涉及到硬件驱动，因此也用不上内核和驱动。而如果虚拟机技术，对应每个虚拟机都有自已独立的内核

2、分层结构

Docker 镜像是一种分层结构，每一层构建在其他层之上，从而实现增量增加内容的功能，Docker 镜像下载的时候也是分层下载，以下载redis镜像为例：

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。

为什么 Docker 镜像要采用这种分层结构呢？

最大的好处，莫过于是资源共享了。比如有多个镜像都从相同的Base镜像构建而来，那么宿主机只需在磁盘上保留一份base镜像，同时内存中也只需要加载一份base镜像，这样就可以为所有的容器服务了，而且镜像的每一层都可以被共享。

可写的容器层

Docker 镜像都只是可读（read-only）的，当容器启动时，一个新的可写层被加载到镜像顶部。

这新的一层就是可写的容器层，容器之下都叫镜像层。

Docker通过一个修改时复制策略copy-on-write来保证base镜像的安全性，以及更高的性能和空间利用率。

• 当容器需要读取文件的时候

从最上层的镜像层开始往下找，找到后读取到内存中，若已经在内存中，可以直接使用。换句话说，运行在同一台机器上的Docker容器共享运行时相同的文件。

• 当容器需要修改文件的时候

从上往下查找，找到后复制到容器层，对于容器来说，可以看到的是容器层的这个文件，看不到镜像层里的文件，然后直接修改容器层的文件。

• 当容器需要删除文件的时候

从上往下查找，找到后在容器中记录删除，并不是真正的删除，而是软删除。这导致镜像体积只会增加，不会减少。

• 当容器需要增加文件的时候

直接在最上层的容器可写层增加，不会影响镜像层。

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，所以镜像可以被多个容器共享。

3、分层实践——commit 提交镜像

通过镜像创建容器，然后对容器层进行操作，镜像层不动，再把操作后的容器层和镜像层打包成一个新的镜像提交。

docker commit：用容器创建一个新的镜像。

语法：

docker commit [OPTIONS] CONTAINER [REPOSITORY[:TAG]]

OPTIONS说明：

• **-a*提交的镜像作者；
• **-c*使用Dockerfile指令来创建镜像；
• **-m *提交时的说明文字；
• **-p *在commit时，将容器暂停。

使用实例：通过镜像创建容器，然后对容器层进行操作，再把操作后的容器层和镜像层打包成一个新的镜像提交。

1、先下载 tomcat 镜像

2、通过tomcat 镜像创建运行tomcat 容器：

docker run -d --name="tomcat01" tomcat

3、进入正在运行的tomcat容器：

docker exec -it tomcat01 /bin/bash

4、把tomcat容器 webapps.dist目录下的文件拷贝到webapps目录下：

cp -r webapps.dist/* webapps

5、docker commit 提交镜像

将容器 dc904437d987 保存为新的镜像,并添加提交人信息和说明信息，提交后的镜像名为tomcatplus，版本为1.0：

docker commit -a="wanli" -m="add webapps files" dc904437d987 tomcatplus:1.0

可以看到commit提交后的新 tomcat 镜像大小比原来的tomcat镜像要大一点，因为我们在容器层中进行了复制文件操作。