Docker源码分析（九）：Docker镜像

1.前言

回首过去的2014年，大家可以看到Docker在全球刮起了一阵又一阵的“容器风”，工业界对Docker的探索与实践更是一波高过一波。在如今的2015年以及未来，Docker似乎并不会像其他昙花一现的技术一样，在历史的舞台上热潮褪去，反而在工业界实践与评估之后，显现了前所未有的发展潜力。

究其本质，“Docker提供容器服务”这句话，相信很少有人会有异议。那么，既然Docker提供的服务属于“容器”技术，那么反观“容器”技术的本质与历史，我们又可以发现什么呢？正如前文所提到的，Docker使用的“容器”技术，主要是以Linux的cgroup、namespace等内核特性为基础，保障进程或者进程组处于一个隔离、安全的环境。Docker发行第一个版本是在2013年的3月，而cgroup的正式亮相可以追溯到2007年下半年，当时cgroup被合并至Linux内核2.6.24版本。期间6年时间，并不是“容器”技术发展的真空期，2008年LXC（Linux Container）诞生，其简化了容器的创建与管理；之后业界一些PaaS平台也初步尝试采用容器技术作为其云应用的运行环境；而与Docker发布同年，Google也发布了开源容器管理工具lmctfy。除此之外，若抛开Linux操作系统，其他操作系统如FreeBSD、Solaris等，同样诞生了作用相类似的“容器”技术，其发展历史更是需要追溯至千禧年初期。

可见，“容器”技术的发展不可谓短暂，然而论同时代的影响力，却鲜有Docker的媲美者。不论是云计算大潮催生了Docker技术，抑或是Docker技术赶上了云计算的大时代，毋庸置疑的是，Docker作为领域内的新宠儿，必然会继续受到业界的广泛青睐。云计算时代，分布式应用逐渐流行，并对其自身的构建、交付与运行有着与传统不一样的要求。借助Linux内核的cgroup与namespace特性，自然可以做到应用运行环境的资源隔离与应用部署的快速等；然而，cgroup和namespace等内核特性却无法为容器的运行环境做全盘打包。而Docker的设计则很好得考虑到了这一点，除cgroup和namespace之外，另外采用了神奇的“镜像”技术作为Docker管理文件系统以及运行环境的强有力补充。Docker灵活的“镜像”技术，在笔者看来，也是其大红大紫最重要的因素之一。

2.Docker镜像介绍

大家看到这，第一个问题肯定是“什么是Docker镜像”？

据Docker官网的技术文档描述，Image（镜像）是Docker术语的一种，代表一个只读的layer。而layer则具体代表Docker Container文件系统中可叠加的一部分。

笔者如此介绍Docker镜像，相信众多Docker爱好者理解起来依旧是云里雾里。那么理解之前，先让我们来认识一下与Docker镜像相关的4个概念：rootfs、Union mount、image以及layer。

2.1 rootfs

Rootfs：代表一个Docker Container在启动时（而非运行后）其内部进程可见的文件系统视角，或者是Docker Container的根目录。当然，该目录下含有Docker Container所需要的系统文件、工具、容器文件等。

传统来说，Linux操作系统内核启动时，内核首先会挂载一个只读（read-only）的rootfs，当系统检测其完整性之后，决定是否将其切换为读写（read-write）模式，或者最后在rootfs之上另行挂载一种文件系统并忽略rootfs。Docker架构下，依然沿用Linux中rootfs的思想。当Docker Daemon为Docker Container挂载rootfs的时候，与传统Linux内核类似，将其设定为只读（read-only）模式。在rootfs挂载完毕之后，和Linux内核不一样的是，Docker Daemon没有将Docker Container的文件系统设为读写（read-write）模式，而是利用Union mount的技术，在这个只读的rootfs之上再挂载一个读写（read-write）的文件系统，挂载时该读写（read-write）文件系统内空无一物。

举一个Ubuntu容器启动的例子。假设用户已经通过Docker Registry下拉了Ubuntu:14.04的镜像，并通过命令docker run –it ubuntu:14.04 /bin/bash将其启动运行。则Docker Daemon为其创建的rootfs以及容器可读写的文件系统可参见图2.1：

 

图2.1 Ubuntu 14.04容器rootfs示意图

正如read-only和read-write的含义那样，该容器中的进程对rootfs中的内容只拥有读权限，对于read-write读写文件系统中的内容既拥有读权限也拥有写权限。通过观察图2.1可以发现：容器虽然只有一个文件系统，但该文件系统由“两层”组成，分别为读写文件系统和只读文件系统。这样的理解已然有些层级（layer）的意味。

简单来讲，可以将Docker Container的文件系统分为两部分，而上文提到是Docker Daemon利用Union Mount的技术，将两者挂载。那么Union mount又是一种怎样的技术？

2.2 Union mount

Union mount：代表一种文件系统挂载的方式，允许同一时刻多种文件系统挂载在一起，并以一种文件系统的形式，呈现多种文件系统内容合并后的目录。

一般情况下，通过某种文件系统挂载内容至挂载点的话，挂载点目录中原先的内容将会被隐藏。而Union mount则不会将挂载点目录中的内容隐藏，反而是将挂载点目录中的内容和被挂载的内容合并，并为合并后的内容提供一个统一独立的文件系统视角。通常来讲，被合并的文件系统中只有一个会以读写（read-write）模式挂载，而其他的文件系统的挂载模式均为只读（read-only）。实现这种Union mount技术的文件系统一般被称为Union Filesystem，较为常见的有UnionFS、AUFS、OverlayFS等。

Docker实现容器文件系统Union mount时，提供多种具体的文件系统解决方案，如Docker早版本沿用至今的的AUFS，还有在docker 1.4.0版本中开始支持的OverlayFS等。

更深入的了解Union mount，可以使用AUFS文件系统来进一步阐述上文中ubuntu:14.04容器文件系统的例子。如图2.2：

图2.2 AUFS挂载Ubuntu 14.04文件系统示意图

使用镜像ubuntu:14.04创建的容器中，可以暂且将该容器整个rootfs当成是一个文件系统。上文也提到，挂载时读写（read-write）文件系统中空无一物。既然如此，从用户视角来看，容器内文件系统和rootfs完全一样，用户完全可以按照往常习惯，无差别的使用自身视角下文件系统中的所有内容；然而，从内核的角度来看，两者在有着非常大的区别。追溯区别存在的根本原因，那就不得不提及AUFS等文件系统的COW（copy-on-write）特性。

COW文件系统和其他文件系统最大的区别就是：从不覆写已有文件系统中已有的内容。由于通过COW文件系统将两个文件系统（rootfs和read-write filesystem）合并，最终用户视角为合并后的含有所有内容的文件系统，然而在Linux内核逻辑上依然可以区别两者，那就是用户对原先rootfs中的内容拥有只读权限，而对read-write filesystem中的内容拥有读写权限。

既然对用户而言，全然不知哪些内容只读，哪些内容可读写，这些信息只有内核在接管，那么假设用户需要更新其视角下的文件/etc/hosts，而该文件又恰巧是rootfs只读文件系统中的内容，内核是否会抛出异常或者驳回用户请求呢？答案是否定的。当此情形发生时，COW文件系统首先不会覆写read-only文件系统中的文件，即不会覆写rootfs中/etc/hosts，其次反而会将该文件拷贝至读写文件系统中，即拷贝至读写文件系统中的/etc/hosts，最后再对后者进行更新操作。如此一来，纵使rootfs与read-write filesystem中均由/etc/ hosts，诸如AUFS类型的COW文件系统也能保证用户视角中只能看到read-write filesystem中的/etc/hosts，即更新后的内容。

当然，这样的特性同样支持rootfs中文件的删除等其他操作。例如：用户通过apt-get软件包管理工具安装Golang，所有与Golang相关的内容都会被安装在读写文件系统中，而不会安装在rootfs。此时用户又希望通过apt-get软件包管理工具删除所有关于MySQL的内容，恰巧这部分内容又都存在于rootfs中时，删除操作执行时同样不会删除rootfs实际存在的MySQL，而是在read-write filesystem中删除该部分内容，导致最终rootfs中的MySQL对容器用户不可见，也不可访。

掌握Docker中rootfs以及Union mount的概念之后，再来理解Docker镜像，就会变得水到渠成。

2.3 image

Docker中rootfs的概念，起到容器文件系统中基石的作用。对于容器而言，其只读的特性，也是不难理解。神奇的是，实际情况下Docker的rootfs设计与实现比上文的描述还要精妙不少。

继续以ubuntu 14.04为例，虽然通过AUFS可以实现rootfs与read-write filesystem的合并，但是考虑到rootfs自身接近200MB的磁盘大小，如果以这个rootfs的粒度来实现容器的创建与迁移等，是否会稍显笨重，同时也会大大降低镜像的灵活性。而且，若用户希望拥有一个ubuntu 14.10的rootfs，那么是否有必要创建一个全新的rootfs，毕竟ubuntu 14.10和ubuntu 14.04的rootfs中有很多一致的内容。

Docker中image的概念，非常巧妙的解决了以上的问题。最为简单的解释image，就是 Docker容器中只读文件系统rootfs的一部分。换言之，实际上Docker容器的rootfs可以由多个image来构成。多个image构成rootfs的方式依然沿用Union mount技术。

多个Image构成rootfs的示意图如图2.3（图中，rootfs中每一层image中的内容划分只为了阐述清楚rootfs由多个image构成，并不代表实际情况中rootfs中的内容划分）：

图2.3容器rootfs多image构成图

从上图可以看出，举例的容器rootfs包含4个image，其中每个image中都有一些用户视角文件系统中的一部分内容。4个image处于层叠的关系，除了最底层的image，每一层的image都叠加在另一个image之上。另外，每一个image均含有一个image ID，用以唯一的标记该image。

基于以上的概念，Docker Image中又抽象出两种概念：Parent Image以及Base Image。除了容器rootfs最底层的image，其余image都依赖于其底下的一个或多个image，而Docker中将下一层的image称为上一层image的Parent Image。以图2.3为例，imageID_0是imageID_1的Parent Image，imageID_2是imageID_3的Parent Image，而imageID_0没有Parent Image。对于最下层的image，即没有Parent Image的镜像，在Docker中习惯称之为Base Image。

通过image的形式，原先较为臃肿的rootfs被逐渐打散成轻便的多层。Image除了轻便的特性，同时还有上文提到的只读特性，如此一来，在不同的容器、不同的rootfs中image完全可以用来复用。

多image组织关系与复用关系如图2.4（图中镜像名称的举例只为将image之间的关系阐述清楚，并不代表实际情况中相应名称image之间的关系）：

图2.4 多image组织关系示意图

图2.4中，共罗列了11个image，这11个image之间的关系呈现一副森林图。森林中含有两棵树，左边树中包含5个节点，即含有5个image；右边树中包含6个节点，即含有6个image。图中，有些image标记了红色字段，意味该image代表某一种容器镜像rootfs的最上层image。如图中的ubuntu:14.04，代表imageID_3为该类型容器rootfs的最上层，沿着该节点找到树的根节点，可以发现路径上还有imageID_2，imageID_1和imageID_0。特殊的是，imageID_2作为imageID_3的Parent Image，同时又是容器镜像ubuntu:12.04的rootfs中的最上层，可见镜像ubuntu:14.04只是在镜像ubuntu:12.04之上，再另行叠加了一层。因此，在下载镜像ubuntu:12.04以及ubuntu:14.04时，只会下载一份imageID_2、imageID_1和imageID_0，实现image的复用。同时，右边树中mysql:5.6、mongo:2.2、debian:wheezy和debian:jessie也呈现同样的关系。

2.4 layer

Docker术语中，layer是一个与image含义较为相近的词。容器镜像的rootfs是容器只读的文件系统，rootfs又是由多个只读的image构成。于是，rootfs中每个只读的image都可以称为一层layer。

除了只读的image之外，Docker Daemon在创建容器时会在容器的rootfs之上，再mount一层read-write filesystem，而这一层文件系统，也称为容器的一层layer，常被称为top layer。

因此，总结而言，Docker容器中的每一层只读的image，以及最上层可读写的文件系统，均被称为layer。如此一来，layer的范畴比image多了一层，即多包含了最上层的read-write filesystem。

有了layer的概念，大家可以思考这样一个问题：容器文件系统分为只读的rootfs，以及可读写的top layer，那么容器运行时若在top layer中写入了内容，那这些内容是否可以持久化，并且也被其它容器复用？

上文对于image的分析中，提到了image有复用的特性，既然如此，再提一个更为大胆的假设：容器的top layer是否可以转变为image？

答案是肯定的。Docker的设计理念中，top layer转变为image的行为（Docker中称为commit操作），大大释放了容器rootfs的灵活性。Docker的开发者完全可以基于某个镜像创建容器做开发工作，并且无论在开发周期的哪个时间点，都可以对容器进行commit，将所有top layer中的内容打包为一个image，构成一个新的镜像。Commit完毕之后，用户完全可以基于新的镜像，进行开发、分发、测试、部署等。不仅docker commit的原理如此，基于Dockerfile的docker build，其追核心的思想，也是不断将容器的top layer转化为image。

3.总结

Docker风暴席卷全球，并非偶然。如今的云计算时代下，轻量级容器技术与灵活的镜像技术相结合，似乎颠覆了以往的软件交付模式，为持续集成（Continuous Integration, CI）与持续交付（Continuous Delivery, CD）的发展带来了全新的契机。

理解Docker的“镜像”技术，有助于Docker爱好者更好的使用、创建以及交付Docker镜像。基于此，本文从Docker镜像的4个重要概念入手，介绍了Docker镜像中包含的内容，涉及到的技术，还有重要的特性。Docker引入优秀的“镜像”技术时，着实使容器的使用变得更为便利，也拓宽了Docker的使用范畴。然而，于此同时，我们也应该理性地看待镜像技术引入时，是否会带来其它的副作用。关于镜像技术的其它思考，《Docker源码分析系列》将在后续另文分析。

4.参考文献

http://www.csdn.net/article/2014-09-24/2821832

http://en.wikipedia.org/wiki/Cgroups

http://www.infoq.com/cn/articles/docker-future

https://docs.docker.com/terms/image/

https://docs.docker.com/terms/layer/#layer

http://en.wikipedia.org/wiki/Union_mount

https://www.usenix.org/legacy/publications/library/proceedings/neworl/full_papers/mckusick.a

http://www.qnx.com/developers/docs/660/index.jsp?topic=%2Fcom.qnx.doc.neutrino.sys_arch%2Ftopic%2Ffsys_COW_filesystem.html