创建ortools的Dockerfile

技术背景

基于已有的Docker容器镜像，去创建一个本地的镜像，有两种方法：一种是在之前的博客中提到过的，使用docker commit的方案，也就是先进去基础系统镜像内部完成所需的修改，然后commit到一个新的容器内部;还有另外一种也非常常用的方法，就是写一个Dockerfile，在本文中会作简单介绍。

另外我们在上一篇博客中介绍了如何部署与使用IBM主导的Cplex线性规划求解器的一些基本使用方法。在本文中我们会介绍另外一套由Google主导的开源线性规划求解器ortools的部署与基本使用方法。

Dockerfile的创建

对于简单的场景而言，尤其是别人已经把基础容器镜像做的比较完善的情况下，使得我们减少了大量的工作量。比如这里我们直接使用一个别人做好的python3.7的基础镜像，而获得该镜像的方法在上一篇博客中也作了介绍。那么我们在dockerfile里面只需要安装好我们所需要的ortools的python包即可：

[dechin-root ortools]# cat Dockerfile
FROM rackspacedot/python37
RUN python3 -m pip install pip --upgrade \
        && python3 -m pip install ortools

这里FROM后面所跟随的基础镜像是必须在本地所具备的，可以在docker images里面看到的才行。最好也在本地通过运行docker run your_iamge来测试一下这个容器镜像是否正常工作，因为有些容器镜像必须要跟随版本号才能正常使用。在上述dockerfile中我们先对pip管理工具做了一个升级，然后才安装ortools工具包。有一个需要注意的点是，我们也可以选择使用多次的RUN来制作一个dockerfile，但是这会导致添加了多层的镜像，因此最好我们是可以用命令拼接的方式一次性完成所有的任务，这样只会增加一层镜像（截图来自于参考链接2）：

按照上述流程编写好dockerfile之后，我们就可以使用docker build来构建一个本地的容器镜像：

[dechin-root ortools]# docker build -t dechin/ortools:v1 .
Sending build context to Docker daemon  2.048kB
Step 1/2 : FROM rackspacedot/python37
 ---> ab7083b6c7c4
Step 2/2 : RUN python3 -m pip install pip --upgrade     && python3 -m pip install ortools
 ---> Running in ff6b1971bdc9
Requirement already satisfied: pip in /usr/local/lib/python3.7/site-packages (20.3.1)
Collecting pip
  Downloading pip-21.0.1-py3-none-any.whl (1.5 MB)
Installing collected packages: pip
  Attempting uninstall: pip
    Found existing installation: pip 20.3.1
    Uninstalling pip-20.3.1:
      Successfully uninstalled pip-20.3.1
Successfully installed pip-21.0.1
Collecting ortools
  Downloading ortools-8.2.8710-cp37-cp37m-manylinux1_x86_64.whl (14.2 MB)
Collecting protobuf>=3.14.0
  Downloading protobuf-3.15.6-cp37-cp37m-manylinux1_x86_64.whl (1.0 MB)
Collecting absl-py>=0.11
  Downloading absl_py-0.12.0-py3-none-any.whl (129 kB)
Requirement already satisfied: six in /usr/local/lib/python3.7/site-packages (from absl-py>=0.11->ortools) (1.15.0)
Installing collected packages: protobuf, absl-py, ortools
Successfully installed absl-py-0.12.0 ortools-8.2.8710 protobuf-3.15.6
Removing intermediate container ff6b1971bdc9
 ---> b9ff988385a5
Successfully built b9ff988385a5
Successfully tagged dechin/ortools:v1

我们可以看到2条dockerfile的指令的运行结果都在屏幕上输出，显示是成功安装了的。在执行完build之后，我们可以在本地的images仓库里面看到这个新的容器镜像：

[dechin-root ortools]# docker images
REPOSITORY                                                 TAG       IMAGE ID       CREATED          SIZE
dechin/ortools                                             v1        b9ff988385a5   35 seconds ago   1.09GB

我们也可以测试一下这个容器镜像的功能是否正常：

[dechin-root ortools]# docker run -it dechin/ortools:v1 /bin/bash
root@198255eacb30:/# python3
Python 3.7.9 (default, Nov 18 2020, 14:29:12)
[GCC 6.3.0 20170516] on linux
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import ortools
>>>

通过执行一个简单的python指令我们可以看到ortools这个工具已经被成功的部署在容器镜像内，在下一个章节中我们会介绍如何使用ortools来解决一个实际问题。当然，上述测试方案也有一个更加简单的方法，使用-c标签来运行代码：

[dechin-root ortools]# docker run dechin/ortools:v1 python3 -c "import ortools;print('hello')"
hello

这里再补充介绍一下在docker中如何删除一个容器镜像的方法，那就是使用rmi和rm指令。这两个指令也容易区分，如果是在docker images指令下找到的容器镜像，那就用rmi来进行删除，如果是在docker ps里面看到的容器，那就用rm来删除，以下是两个示例：

[dechin-root ortools]# docker rmi cplex-py37
Error response from daemon: conflict: unable to remove repository reference "cplex-py37" (must force) - container 7ce9dbee3e55 is using its referenced image 34e272969701
[dechin-root ortools]# docker rmi -f cplex-py37
Untagged: cplex-py37:latest
Deleted: sha256:34e2729697010b1320c2f7dbfd1fc45004e9ffae6a1d26ffb8748b5627cb2224

上面这个用例是表示我们在docker images中有一个名为cplex-py37的容器镜像，其实也是在上一篇博客中制作的产物。假如我们需要删除这个镜像，就用删除的rmi指令。当我们第一次尝试删除的时候，我们收到一个提示，关于一些冲突的提示。假如我们认定了这个冲突并不影响我们的操作，那么我们可以强制删除，也就是加上-f指令。

另外也展示一下rm指令的使用场景。假如我们使用docker ps -n 5查看过去执行的最近5条指令，并且需要删除第一条镜像id为2df3的容器：

[dechin-root ortools]# docker ps -n 5
CONTAINER ID   IMAGE                   COMMAND       CREATED        STATUS                      PORTS     NAMES
2df3fcc803e0   34e272969701            "/bin/bash"   20 hours ago   Exited (0) 20 hours ago               bold_colden
c766ed62d149   rackspacedot/python37   "/bin/bash"   20 hours ago   Exited (0) 20 hours ago               xenodochial_ardinghelli
af037db88540   cplex                   "/bin/bash"   21 hours ago   Exited (0) 12 minutes ago             magical_cori
e8c49c211039   cplex                   "/bin/bash"   21 hours ago   Exited (0) 21 hours ago               gracious_babbage
1e053a1b6330   cplex                   "/bin/bash"   21 hours ago   Exited (0) 21 hours ago               suspicious_ride
[dechin-root ortools]# docker rm 2df3
2df3
[dechin-root ortools]# docker ps -n 5
CONTAINER ID   IMAGE                   COMMAND                  CREATED        STATUS                      PORTS     NAMES
c766ed62d149   rackspacedot/python37   "/bin/bash"              20 hours ago   Exited (0) 20 hours ago               xenodochial_ardinghelli
af037db88540   cplex                   "/bin/bash"              21 hours ago   Exited (0) 12 minutes ago             magical_cori
e8c49c211039   cplex                   "/bin/bash"              21 hours ago   Exited (0) 21 hours ago               gracious_babbage
1e053a1b6330   cplex                   "/bin/bash"              21 hours ago   Exited (0) 21 hours ago               suspicious_ride
de7f22ac259b   cplex                   "python3 -m pip inst…"   21 hours ago   Exited (0) 21 hours ago               hardcore_meitner

可以看到用rm删除之后就不会在最新的结果查询中出现这个容器，这也方便我们释放不需要的容器资源给本地环境。

ortools案例

这里我们还是使用上一篇博客中所提到的单背包问题（Knapsack Problem）来进行测试。相关问题的定义如下：



当然在ortools的案例中我们不需要写lp文件，只是借用这个lp文件来展示一下我们的约束条件和目标函数。这个问题的含义也在上一篇博客中介绍过了，这里我们直接截图引用：

ortools求解器的使用

在了解清楚问题的背景之后，现在我们就可以开始写测试代码了，首先我们也是从进入docker容器开始，然后出于方便我们直接在python指令中执行相关的测试（这里的测试代码我们参考了官方文档，也就是本文的参考链接1）：

[dechin-root ortools]# docker run -it dechin/ortools:v1 /bin/bash
root@3882b83959c8:/# python3
Python 3.7.9 (default, Nov 18 2020, 14:29:12)
[GCC 6.3.0 20170516] on linux
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> from ortools.linear_solver import pywraplp
>>> solver = pywraplp.Solver.CreateSolver('SCIP') # 这里使用了第三方后端SCIP
>>> x1 = solver.IntVar(0.0, 1.0, 'x1')
>>> x2 = solver.IntVar(0.0, 1.0, 'x2')
>>> x3 = solver.IntVar(0.0, 1.0, 'x3')
>>> print ('Number of variables = ', solver.NumVariables()) # 参数数量
Number of variables =  3
>>> solver.Add(3 * x1 + 4 * x2 + 5 * x3 <= 8)
<ortools.linear_solver.pywraplp.Constraint; proxy of <Swig Object of type 'operations_research::MPConstraint *' at 0x7f9013411de0> >
>>> solver.Maximize(2 * x1 + 3 * x2 + 4 * x3)
>>> status = solver.Solve()
>>> print('Number of constraints =', solver.NumConstraints()) # 约束条件数量
Number of constraints = 1
>>> print('Objective value =', solver.Objective().Value()) # 最终解的函数值
Objective value = 6.0
>>> print('x1 =', x1.solution_value())
x1 = 1.0
>>> print('x2 =', x2.solution_value())
x2 = 0.0
>>> print('x3 =', x3.solution_value())
x3 = 1.0
>>> print (status == pywraplp.Solver.OPTIMAL) # 是否最优解？
True

在这个案例中我们使用了一个第三方的求解器后端来进行计算，叫SCIP。我们得到的最终解已经达到了最优解，这个我们在上一篇博客中也分析过了。到这里为止，我们就成功的使用ortools提供的框架求解了一个实际的背包问题。

总结概要

在本地构建基于Docker的编程环境是一个兼容性和可用性非常强的解决方案，这里我们介绍了一个使用Dockerfile来构建Docker容器镜像的简单实例。同时也用谷歌所主导的开源线性规划求解器ortools来测试这个容器化的编程环境解决方案，最终我们用ortools成功的求解了一个单背包问题，并且跟前面一篇博客中所介绍的IBM主导的cplex一样都得到了问题的最优解。

版权声明

本文首发链接为：https://www.cnblogs.com/dechinphy/p/ortools.html

作者ID：DechinPhy

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参考链接

1. https://developers.google.cn/optimization/mip/integer_opt?hl=zh-cn
2. https://www.runoob.com/docker/docker-dockerfile.html
3. https://www.cnblogs.com/dechinphy/p/cplex.html#