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16 Dockerfile ​

Docker 镜像原理 ​

思考

  • Docker 镜像本质是什么？
    • 是一个分层文件系统
  • Docker 中一个 centos 镜像为什么只有 200MB，而一个 centos 操作系统的 iso 文件要几个 G？
    • Centos 的 iso 镜像文件包含 bootfs 和 rootfs，而 docker 的 centos 镜像复用操作系统的 bootfs，只有 rootfs 和其他镜像层
  • Docker 中一个 tomcat 镜像为什么有 500MB，而一个 tomcat 安装包只有 70 多 MB？
    • 由于 docker 中镜像是分层的，tomcat 虽然只有 70 多 MB，但他需要依赖于父镜像和基础镜像，所有整个对外暴露的 tomcat 镜像大小 500 多 MB

操作系统组成部分 ​

  1. 进程管理子系统：
    • 任务调度器（Scheduler）： 控制在多任务环境下，哪个进程获得 CPU 时间。
    • 进程调度和管理： 管理进程的创建、调度、终止等操作。
    • 进程间通信（IPC）： 提供进程之间进行通信的机制，如信号、消息队列、共享内存等。
  2. 内存管理子系统：
    • 虚拟内存管理： 管理进程的虚拟内存空间，包括分页和分段。
    • 物理内存管理： 控制物理内存的分配和释放。
    • 页面置换算法： 当物理内存不足时，选择将哪些页面置换到磁盘。
  3. 文件系统子系统：
    • 文件系统管理： 提供文件和目录的创建、读取、写入和删除等功能。
    • 文件权限和所有权： 控制文件的访问权限和所有者。
    • 磁盘空间管理： 管理文件系统中的磁盘空间，包括文件块的分配和释放。
  4. 网络子系统：
    • TCP/IP 协议栈： 实现网络通信的基础协议。
    • 设备驱动程序： 提供硬件设备与内核之间的接口，允许操作系统与硬件设备进行通信。
    • 网络配置工具： 允许用户配置网络接口、IP 地址、路由表等网络参数。
  5. 设备驱动程序子系统：
    • 设备驱动管理： 管理和加载硬件设备的驱动程序。
    • 硬件抽象层（HAL）： 提供一种标准接口，使得内核和设备驱动程序能够独立于底层硬件进行开发。
  6. 用户接口子系统：
    • Shell： 提供用户与内核交互的命令行接口。
    • 图形用户界面（GUI）： 提供图形化的用户界面，包括窗口管理器和桌面环境。
  7. 系统调用接口：
    • 系统调用： 提供用户空间程序与内核空间之间的接口，允许用户程序请求操作系统的服务。
    • C 库（glibc）： 提供与系统调用交互的标准函数库。
  8. 安全和权限管理子系统：
    • 用户账户和组管理： 管理系统中的用户和用户组。
    • 访问控制： 控制用户对文件和系统资源的访问权限。
    • 安全策略： 实施安全策略，如 SELinux（Security-Enhanced Linux）。

Linux 文件系统 ​

  • 在 Linux 中，bootfs 和 rootfs 是两个关键的文件系统，它们在系统引导过程和系统运行时发挥着重要的作用。
  • 不同的 linux 发行版，bootfs 基本一样，而 rootfs 不同，如 ubuntu，centos 等。
  • 在系统启动时，bootfs 负责引导加载程序和内核的加载，而 rootfs 则负责提供运行时的根文件系统，使得系统能够正常启动和运行。
  • 这两个文件系统的协同工作确保了 Linux 系统的顺利启动和正常运行。

bootfs ​

  • 位置： 通常位于启动设备（如硬盘、SSD）的引导分区，它可以是一个专门的分区，也可以是 EFI 分区等。
  • 作用： bootfs 包含了引导加载程序（bootloader）和内核映像（kernel image）。引导加载程序负责在计算机启动时加载操作系统内核，而内核映像则是操作系统核心的二进制文件。
  • GRUB（GRand Unified Bootloader）： 在许多 Linux 系统中，特别是使用传统 BIOS 的系统，GRUB 是一种常见的引导加载程序。GRUB 负责在启动时加载内核映像，并向内核传递必要的参数，例如内核的位置、启动参数等。
  • UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）： 对于使用 UEFI 的系统，通常会有一个专用的 EFI 分区，其中包含了引导加载程序文件（通常是 grubx64.efi 等）。UEFI 提供了更现代和灵活的引导过程。

rootfs ​

  • 位置： rootfs 是一个虚拟文件系统，它在系统运行时被挂载为根文件系统。它可以是内存中的 tmpfs，也可以是硬盘上的实际文件系统，例如 ext4。
  • 作用： rootfs 包含了系统运行时所需的基本文件和目录，包括 /bin、/sbin、/lib、/etc 等。这些文件和目录组成了用户空间的基本结构，支持系统的正常运行。
  • 虚拟文件系统： rootfs 是一个虚拟文件系统，它可能是一个初始的根文件系统，而随着系统的运行，它可以被更换为其他实际的文件系统。这种灵活性允许系统在运行时切换根文件系统，例如在初始化阶段使用 initramfs 后，切换到实际的根文件系统。
  • Initramfs（Initial RAM File System）： 在一些系统中，特别是在启动时需要加载特定驱动程序或进行硬件检测的情况下，可能会使用 initramfs。initramfs 是一个临时的文件系统，它会在引导过程中加载到内存中，并在引导完成后被卸载。

镜像原理 ​

dockerfile
# 基础镜像
FROM ubuntu:20.04
# 在基础镜像上进行操作，构建新的镜像层
RUN apt-get update && apt-get install -y nginx

# 上面的 Dockerfile 中，`FROM ubuntu:20.04` 表示基础镜像是 Ubuntu 20.04 镜像
# `RUN apt-get update && apt-get install -y nginx` 表示在基础镜像上运行命令安装 Nginx，形成新的镜像层
# 这个 Dockerfile 就是一个简化的示例，实际上可能包含更多操作和配置

# 容器启动时，在最顶层加载一个读写文件系统作为容器
# 每个容器实例都有自己的顶层文件系统，可以在容器内进行读写操作，而不影响底层的镜像文件系统

Docker 镜像构建原理 ​

  • Docker 镜像是通过特殊的文件系统叠加而成的。

文件系统层次结构 ​

  • 最底端是 bootfs，并使用宿主机的 bootfs。
  • 第二层是 root文件系统（rootfs），被称为基础镜像（base image）。
  • 往上可以叠加其他的镜像文件，形成分层的结构。

Union File System 技术 ​

  • 使用统一文件系统（Union File System）技术，将不同层次的文件系统整合成一个。
  • 提供了一个统一的视角，用户在使用时只看到一个文件系统，隐藏了底层多层的存在。

镜像的层次关系 ​

  • 一个镜像可以放在另一个镜像的上面。
  • 位于下面的镜像称为父镜像，最底部的镜像称为基础镜像。

容器启动过程 ​

  • 当从一个镜像启动容器时，Docker 会在最顶层加载一个读写文件系统作为容器。

镜像制作 ​

容器转为镜像 ​

  1. 获取正在运行的容器的 ID.

    bash
    docker ps

  2. 保存容器状态为镜像。

    • [container_id] 为容器 ID
    • [image_name] 为新镜像的名字
    • [tag] 为标签
    bash
    docker commit [container_id] [image_name]:[tag]

  3. 查看新创建的镜像。

    bash
    docker images

  4. 推送到 Docker Hub（可选）。

    bash
    docker login
docker push [image_name]:[tag]

  5. 本地使用（可选）。

    bash
    # 保存
docker save -o [image_name].tar.gz [image_name]:[tag]
# 加载
docker load -i [image_name].tar.gz

dockerfile ​

  1. 创建 Dockerfile

    • 创建一个文本文件，通常命名为 Dockerfile。
    • 这个文件包含了一系列指令，按照顺序描述了构建 Docker 镜像的步骤。

  2. 选择基础镜像

    dockerfile
    FROM image[:tag] [AS name]
    • 在 Dockerfile 中使用 FROM 指令选择一个基础镜像作为构建的起点。常见的选择包括 alpine、debian、ubuntu、centos、node、python、nginx 等。
    • 基础镜像包含了操作系统和一些基本的软件包，例如 FROM ubuntu:20.04 表示基于 Ubuntu 20.04 镜像。
      • scratch 是一个特殊的基础镜像，它实际上是一个空白镜像，不包含任何文件系统内容。因此，使用 scratch 作为基础镜像意味着你从头开始构建你的镜像，而不是基于其他镜像。
      • Alpine Linux 以小巧、高效而著称，它的 基础镜像 只有几兆大小（目前小于 6 MB），同时仍是一个完整的 Linux 发行版。这使得构建和部署容器时能够更快地完成。
    • 有时候，你可能需要自定义基础镜像，以满足特定的需求。可以在 FROM 指令中使用 AS name 为基础镜像命名，然后在后续的指令中引用这个名字。
    • 例如，FROM ubuntu:20.04 AS builder，在后续的指令中可以使用 FROM builder 引用这个自定义的基础镜像。

  3. 指定维护者的信息。

    dockerfile
    MAINTAINER xxx yourname@example.com
    • 指定维护者的信息，但推荐使用 LABEL 代替。

  4. 为镜像添加元数据。

    dockerfile
    LABEL version="1.0" maintainer="yourname@example.com"
    • 用于为镜像添加元数据，通常用于提供关于镜像的信息，如版本、维护者等。

  5. 运行命令和安装软件

    dockerfile
    # 安装应用程序依赖
RUN apt-get update && apt-get install -y python3
    • 使用 RUN 指令运行命令，在基础镜像上进行操作，例如安装软件、更新软件包等。
    • 例如，RUN apt-get update && apt-get install -y nginx 表示在基础镜像上更新软件包并安装 Nginx。

  6. 复制文件

    dockerfile
    # 复制应用程序文件到容器中
COPY . /app

# 复制并解压
ADD archive.tar.gz /app/archive
    • 使用 COPY 或 ADD 指令将本地文件或目录复制到镜像中。
    • 例如，COPY ./myapp /app 表示将本地的 myapp 目录复制到镜像的 /app 目录。

  7. 设置环境变量

    dockerfile
    ENV APP_HOME /app
ENV PORT 8080

# 使用环境变量在后续指令中定义路径
ENV APP_HOME /app
WORKDIR $APP_HOME
COPY . $APP_HOME

# 在容器运行时使用环境变量
ENV PORT=8080
EXPOSE $PORT
CMD ["python3", "-m", "http.server", "$PORT"]
    • 使用 ENV 指令设置环境变量，例如 ENV APP_HOME /app。
    • 这可以为后续的指令提供一个可重用的变量。

  8. 设置工作目录

    dockerfile
    # 设置工作目录
WORKDIR /app
    • 使用 WORKDIR 指令设置工作目录，例如 WORKDIR /app。
    • 这会影响后续的指令，使其相对于该目录执行。

  9. 声明容器监听的端口

    dockerfile
    # 暴露应用程序的端口
EXPOSE 80
    • 使用 EXPOSE 指令声明容器运行时监听的端口，例如 EXPOSE 80。

  10. 定义启动命令

    dockerfile
    # 定义容器启动时要执行的默认命令，可以被 Dockerfile 中的任何 CMD 或 docker run 命令覆盖
CMD ["python3", "app.py"]

# 定义容器启动时要执行的命令，不可被 Dockerfile 中的 CMD 或 docker run 命令覆盖
ENTRYPOINT ["python3", "app.py"]

    • 使用 CMD 或 ENTRYPOINT 指令定义容器启动时要运行的命令。

    • 例如，CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"] 表示容器启动时运行 Nginx 以非守护进程方式。

  11. 构建镜像

    bash
    docker build -t myapp:latest .
    • 运行 docker build -t image_name:tag . 命令来构建镜像。
    • image_name 是镜像名，tag 是版本标签，. 表示当前目录。

  12. 推送到 Docker Hub（可选）

    bash
    docker images
docker login
docker push myapp:latest
    • 如果你希望分享你的镜像，可以将其推送到 Docker Hub 或其他容器注册表。
    • 使用 docker push your_image_name:tag 命令推送镜像。

  13. 保存到本地（可选）

    bash
    # 保存
docker save -o myapp.tar.gz myapp:latest
# 加载
docker load -i myapp.tar.gz

  14. 运行容器（可选）

    bash
    docker run -p 8080:80 myapp:latest

Dockerfile 概念及作用 ​

  • Dockerfile 是一个文本文件： Dockerfile 是一个文本文件，包含了一系列构建 Docker 镜像的指令。
  • 每一条指令构建一层： 每一条 Dockerfile 中的指令都会构建一层，这些层是基于基础镜像的，最终形成一个完整的新镜像。
  • 基于基础镜像构建新镜像： Dockerfile 指定了构建新镜像所需的基础镜像，并通过一系列指令对其进行定制，形成新的镜像。
  • 为开发人员提供一致的开发环境： Dockerfile 的使用可以为开发人员提供一个一致的开发环境，确保在不同环境中的工作一致性。
  • 为测试人员提供工作环境： 测试人员可以直接使用开发人员构建的镜像，或者通过 Dockerfile 文件构建一个新的镜像，以便开始工作。
  • 在部署时实现应用的无缝移植： 运维人员在部署时可以使用 Dockerfile 构建镜像，实现应用的无缝移植，确保在不同环境中的一致性。

Dockerfile 关键字 ​

关键字作用备注
FROM指定父镜像指定 dockerfile 基于那个 image 构建。
MAINTAINER作者信息用来标明这个 dockerfile 的作者。
LABEL标签用来标明 dockerfile 的标签，可以使用 Label 代替 Maintainer，最终都是在 docker image 基本信息中可以查看。
RUN执行命令执行一段命令，默认是 /bin/sh。
格式：RUN command 或者 RUN ["command" , "param1","param2"]
CMD容器启动命令提供启动容器时候的默认命令 和 ENTRYPOINT 配合使用。
格式 CMD command param1 param2 或者 CMD ["command" , "param1","param2"]
ENTRYPOINT入口一般在制作一些执行就关闭的容器中会使用。
COPY复制文件build 的时候复制文件到 image 中。
ADD添加文件build 的时候添加文件到 image 中，不仅仅局限于当前 build 上下文，可以来源于远程服务。
ENV环境变量指定 build 时候的环境变量，可以在启动的容器的时候通过 -e 覆盖。
格式 ENV name=value
ARG构建参数构建参数。只在构建的时候使用的参数。如果有 ENV ，那么 ENV 的相同名字的值始终覆盖 arg 的参数。
VOLUME定义外部可以挂载的数据卷指定 build 的 image 那些目录可以启动的时候挂载到文件系统中。启动容器的时候使用 -v 绑定。
格式 VOLUME ["目录"]
EXPOSE暴露端口定义容器运行的时候监听的端口。启动容器的使用 -p 来绑定暴露端口。
格式：EXPOSE 8080 或者 EXPOSE 8080/udp
WORKDIR工作目录指定容器内部的工作目录。如果没有创建则自动创建。
如果指定 / 使用的是绝对地址。
如果不是 / 开头那么是在上一条 workdir 的路径的相对路径。
USER指定执行用户指定 build 或者启动的时候，用户在 RUN CMD ENTRYPONT 执行的时候的用户。
HEALTHCHECK健康检查指定监测当前容器的健康监测的命令，基本上没用。因为很多时候应用本身有健康监测机制。
ONBUILD触发器当存在 ONBUILD 关键字的镜像作为基础镜像的时候，当执行 FROM 完成之后，会执行 ONBUILD 的命令。但是不影响当前镜像，用处也不怎么大。
STOPSIGNAL发送信号量到宿主机该 STOPSIGNAL 指令设置将发送到容器的系统调用信号以退出。
SHELL指定执行脚本的 shell指定 RUN CMD ENTRYPOINT 执行命令的时候 使用的 shell。

案例 ​

自定义 centos7 镜像 ​

要求 ​

  1. 默认登录路径为 /usr
  2. 可以使用 vim

实现步骤 ​

dockerfile
# 使用 centos:7 作为父镜像
FROM centos:7

# 定义作者信息
# MAINTAINER itheima <itheima@itcast.cn>
LABEL version="1.0" maintainer="yourname@example.com"

# 执行安装 vim 命令
RUN yum install -y vim

# 定义默认的工作目录
WORKDIR /usr

# 定义容器启动执行的命令
CMD ["/bin/bash"]

通过 dockerfile 构建镜像：

bash
docker build -f Dockerfile -t centos-vim:1.0 .

自定义 springboot 镜像 ​

需求 ​

  • 定义 dockerfile，发布 springboot。

实现步骤 ​

dockerfile
# 使用 java:8 作为父镜像
FROM java:8

# 定义作者信息
# MAINTAINER itheima <itheima@itcast.cn>
LABEL version="1.0" maintainer="yourname@example.com"

# 将 jar 包添加到容器
ADD springboot.jar app.jar

# 定义容器启动执行的命令
CMD ["java", "-jar", "app.jar"]

通过 dockerfile 构建镜像：

bash
docker build -f Dockerfile -t java-springboot:1.0 .