Docker 镜像以及镜像分层

1 什么是镜像

镜像是一种轻量级、可执行的独立软件包，用来打包软件运行环境和基于运行环境开发的软件，它包含运行某个软件所需的所有内容，包括代码、运行时库、环境变量和配置文件

Docker镜像是由文件系统叠加而成。最底端是一个引导文件系统，即bootfs，这很像典型的Linu/Unix的引导文件系统。Docker 用户几乎永远不会和引导文件系统有什么交互。实际上，当一个容器启动后，它将会被移到内存中，而引导文件系统则会被卸载（ummount），以留出更多的内存供initrd 磁盘镜像使用。

到目前为止，Docker看起来还很像一个典型的Linux 虚拟化栈。实际上，Docker镜像的第二层是root文件系统 rootfs，它位于引导文件系统之上。rootfs可以是一种或多种操作系统（如Debian或者 Ubuntu文件系统）。

在传统的Linux 引导过程中，root文件系统会最先以只读的方式加载，当引导结束并完成了完整性检查之后，它才会被切换为读写模式。但是在 Docker里，root文件系统永远只能是只读状态，并且Docker利用联合加载（union mount）技术又会在root文件系统层加载更多的只读文件系统。联合加载指的是一次同时加载多个文件系统，但是在外面看起来只能看到一个文件系统。联合加载会将各层文件系统叠加到一起，这样最终的文件系统会包含所有底层的文件和目录。

Docker 将这样的文件系统称为镜像。一个镜像可以放到另一个镜像的顶部。位于下面的镜像称为父镜像（parent image），可以依次类推，直到镜像栈的最底部，最底部的镜像称为基础镜像（base image）。最后，当从一个镜像启动容器时，Docker会在该镜像的最顶层加载一个读写文件系统。我们想在Docker中运行的程序就是在这个读写层中执行的。

2 Docker镜像加载原理

2.1 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，UnionFs联合文件系统是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。

2.2 Docker镜像加载原理

Docker的镜像实际上由一层一层的UnionFs文件系统组成bootfs：主要包含 bootloader和 Kernel，bootloader主要是引导加 kernel，Linux刚启动时会加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bootfs加载器和内核，当bootfs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：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，rootfs就是各种不同的操作系统发行版，比如：Ubuntu、CentOS等等
简单理解：

1. 对于Docker安装OS来说：就是Docker使用了Linux本身的bootfs，只需要安装自己所需的rootfs。
2. 对于Docker安装普通镜像来说：就是Docker本身是分层下载镜像，所以可以提取出公共层镜像，进行复用。

2.3 Docker镜像的特点

Docker镜像都是只读的，当容器启动时，一个新的可写层加载到镜像的顶部，这一层就是我们通常说的容器层，容器之下的都叫镜像层

3 镜像的分层结构

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。比如我们现在构建一个新的镜像，Dockerfile 如下：

① 新镜像不再是从 scratch 开始，而是直接在 Debian base 镜像上构建。
② 安装 emacs 编辑器。
③ 安装 apache2。
④ 容器启动时运行 bash。
构建过程如下图所示：

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？

最大的一个好处就是 - 共享资源。

比如：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(因为镜像的ID唯一)；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，我们将在后面更深入地讨论这个特性。

这时可能就有人会问了：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 是否也会被修改？

答案是不会！修改会被限制在单个容器内。这就是我们接下来要学习的容器 Copy-on-Write 特性。

4 可写的容器层

Docker 镜像层都是只读的，容器层是可写的
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。

• 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，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。找到后，会在容器层中记录下此删除操作。

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。

这样就解释了我们前面提出的问题：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。