Docker—3章(Docker镜像)

第三章 Docker镜像

1. 镜像基础

1.1 镜像简介

镜像是一种轻量级、可执行的独立软件包，也可以说是一个精简的操作系统。镜像中包含应用软件及应用软件的运行环境。具体来说镜像包含运行某个软件所需的所有内容，包括代码、库、环境变量和配置文件等。几乎所有应用，直接打包为Docker镜像后就可以运行。

由于镜像的运行时是容器，容器的设计初衷就是快速和小巧，所以镜像通常都比较小，镜像中不包含内核，其共享宿主机的内核；镜像中只包含简单的Shell，或没有Shell。

1.2 镜像仓库分类

镜像中心中存储着大量的镜像仓库Image Repository，每个镜像仓库中包含着大量相关镜像。根据这些镜像发布者的不同，形成了四类不同的镜像仓库。

1. Docker Official Image

   Docker官方镜像仓库。该类仓库中的镜像由Docker官方构建发布，代码质量较高且安全，有较完善的文档。该类仓库中的镜像会及时更新。一般常用的系统、工具软件、中间件都有相应的官方镜像仓库。例如，Zookeeper、Redis、Nginx等。

   官方镜像仓库的名称<repository>一般直接为该类软件的名称<software-name>。

2. Verified Publisher

   已验证发布者仓库。该类仓库中的镜像由非Docker官方的第三方发布。但该第三方是由Docker公司审核认证过的，一般为大型企业、团体或组织。审核通过后，Docker公司会向其颁发“VERIFIED PUBLISHER”标识。这种仓库中镜像的质量还有有保证的。除了官方镜像仓库，其它都是非官方镜像仓库。非官方镜像仓库名称<repository>一般由发布者用户名与软件名称两部分构成，形式为：<username>/<software-name>。

3. Sponsored OSS

   由Docker公司赞助开发的镜像仓库。该类仓库中的镜像也由非Docker官方的第三方发布，但该镜像的开发是由Docker公司赞助的。该类型的第三方一般为个人、团队或组织。这种仓库中镜像的质量也是有保证的。

4. 无认证仓库

   没有以上任何标识的仓库。这种仓库中镜像的质量良莠不齐，质量上无法保证，在使用时需谨慎。

1.3 第三方镜像中心

镜像中心默认使用的都是Docker官方的**Docker Hub**。不过，镜像中心是可配置的，可以使用指定的第三方镜像中心。对于第三方镜像中心中的仓库名称<repository>由三部分构成：<domain-name>/<username>/<software-name>。其中的<domain-name >指的是第三方镜像中心的域名或IP。

1.4 镜像定位

对于任何镜像，都可通过<repository>:<tag>进行唯一定位。其中<tag>一般称为镜像的版本号。<tag>中有一个比较特殊的版本——latest。如果不指定，默认<tag>即为latest。不过，虽然其字面意思是最新版，一般其也的确存放的是最新版，但并不能保证其真的就是最新版。

2. 镜像相关命令

2.1 docker pull

2.1.1 基本用法

通过docker pull命令可以将指定的镜像从docker hub拉取到本地。如果没有指定镜像则会抛出一个Error。

例如，下面的命令是拉取zookeeper的3.7.1版本镜像。

pull命令中的<tag>也可以不写，此时默认的<tag>为latest。

此时可以查看到，当前宿主机中已经包含了刚刚下载的两个zookeeper镜像。

2.1.2 简化日志输出

加上选项-q后就可简化拉取过程中的日志输出。

2.1.3 通过digest拉取

docker pull可通过镜像的digest进行拉取。语法格式为docker pull <repository>@<digest>。

digest，是镜像内容的一个Hash值，即所谓的Content Hash（内容散列）。只要镜像内容发生了变更，其内容散列值就一定会发生改变。注意，digest是包含前面的sha256的，表示该digest的产生所采用的Hash算法是SHA256。使用该拉取方式的具体场景或用途，后面会详解。

从Docker Hub中具体镜像中可查看到其digest。

2.2 docker images

2.2.1 基础用法

通过docker images命令可查看本地所有镜像资源信息。这些镜像会按照镜像被创建的时间由近及远排序。

• REPOSITORY：镜像仓库名称
• TAG：镜像版本号
• IMAGE ID：镜像的唯一标识
• CREATE：镜像的创建时间
• SIZE：镜像大小

2.2.2 查看指定镜像

docker images可以查看指定镜像的信息。

2.2.3 查看完整镜像ID

默认的docker images显示的镜像id是经过截取后的显示结果，仅显示了前12位。使用--no-trunc参数后显示的是完成的镜像id。

2.2.4 查看镜像digest

--digests选项可以查看所有镜像或指定镜像的digest信息。关于digest后面会详细学习。

2.2.5 仅显示镜像ID

-q选项可仅显示本地所有镜像的ImageID。该主要是将来与其它命令联合使用。

2.2.6 过滤镜像

-f选项用于过滤指定条件的镜像。下面例举一些常用的过滤条件。例如，

dangling=true用于过滤出悬虚镜像，即没有Repository与Tag的镜像。对于悬虚镜像的REPOSITORY与TAG，显示的是<none>。

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-f before用于列举出本地镜像中指定镜像创建时间之前创建的所有镜像。

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-f since用于列举出本地镜像中指定镜像创建时间之后的创建的所有镜像。

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-f reference用于列举出<repository>:<tag>与指定表达式相匹配的所有镜像。

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2.2.7 格式化显示

该选项用于格式化输出docker images的内容，格式需要使用GO模板指定。例如，

2.3 docker search

2.3.1 基础用法

通过docker search命令可以从docker hub上查看指定名称的镜像。

AUTOMATED表示当前镜像是否是“自动化镜像”。什么是自动化镜像？就是使用Docker Hub连接一个包含Dockerfile文件(专门构建镜像用的文件)的GitHub仓库或Bitbucket仓库的源码托管平台，然后Docker Hub就会自动根据Dockerfile内容构建镜像。这种构建出的镜像会被标记为AUTOMATED，这种构建镜像的方式称为Trusted Build（受信构建）。只要Dockerfile文件内容发生变化，那么Docker Hub就会构建出新的镜像。

2.3.2 过滤检索结果

用于过滤查询结果。例如，下面的是仅查询出官方提供的镜像。

2.3.3 限制检索数量

默认docker search显示25条检索结果，可通过--limit选项来指定显示的结果数量。

2.3.4 到hub官网查看

以上检索方式与从docker hub官网https://hub.docker.com查看是一样的，但没有官网查看的直观。

2.4 docker rmi

2.4.1 基本用法

rmi(remove images)。该命令用于删除指定的本地镜像。镜像通过<repository>:<tag>指定。如果省略要删除镜像的tag，默认删除的是lastest版本。

2.4.2 删除多个镜像

docker rmi命令可一次性删除多个镜像，多个要删除的镜像间使用空格分隔。

docker rmi 镜像1 镜像2 镜像3...

2.4.3 通过ImageID删除镜像

docker rmi也可通过ImageID指定要删除的镜像。

docker rmi ImageID

2.4.4 强制删除镜像

默认情况下，对于已经运行了容器的镜像是不能删除的，必须要先停止并删除了相关容器然后才能删除其对应的镜像。不过，也可以通过添加-f选项进行强制删除。

docker rmi -f 镜像名称

2.4.5 删除所有镜像

使用组合命令删除所有镜像。当然，如果不携带-f选项，则不会删除已打开容器的镜像。

docker rmi -f $(docker images -q)

• docker images -q：列出所有 Docker 镜像的 ID
• $(docker images -q)：把上面命令列出来的所有 ID 作为参数传递给下一个命令。
• docker rmi -f：强制删除 Docker 镜像，即使有容器正在使用它们。
• docker rmi -f $(docker images -q)：删除 Docker 主机上所有的镜像。

2.5 导出和导入镜像

我们在本地生成一个镜像，想将其导出后在另一电脑上使用，则可通过导出/导入镜像来完成。

2.5.1 导出镜像save

docker save命令用于将一个或多个镜像导出为tar文件。例如，下面的命令是将redis镜像导出到当前/root目录的myRedis.tar文件中。

2.5.2 导入镜像load

docker load用于将一个tar文件导入并加载为一个或多个镜像。

运行完毕后，可以看到redis镜像恢复了。

3. 镜像分层

3.1 什么是分层

Docker镜像由一些松耦合的只读镜像层组成，Docker Daemon负责堆叠这些镜像层，并将它们关联为一个统一的整体，即对外表现出的是一个独立的对象。通过docker pull命令拉取指定的镜像时，每个Pull complete结尾的行就代表下载完毕了一个镜像层。例如，下面的redis:latest镜像就包含6个镜像层。

3.2 为什么分层

采用这种分层结构的优势很多，例如，每个分层都是只读的，所有对分层的修改都是以新分层的形式出现，并不会破坏原分层内容；再如，每个分层只记录变更内容，所以有利于节省存储空间等。

不过，分层结构的最大的好处是，在不同镜像间实现资源共享，即不同镜像对相同下层镜像的复用。对于docker pull命令，其在拉取之前会先获取到其要拉取镜像的所有ImageID，然后在本地查找是否存在这些分层。如果存在，则不再进行拉取，而是共享本地的该分层。大大节点的存储空间与网络带宽，提升了拉取效率。

3.3 镜像层构成

每个镜像层由两部分构成：镜像文件系统与镜像json文件。这两部分具有相同的ImageID。

镜像文件系统就是对镜像占有的磁盘空间进行管理的文件系统，拥有该镜像所有镜像层的数据内容。而镜像json文件则是用于描述镜像的相关属性的集合，通过docker inspect [镜像]就可以直观看到。

3.4 镜像FS构成

一个docker镜像的文件系统FS由多层只读的镜像层组成，每层都完成了特定的功能。而这些只读镜像层根据其位置与功能的不同可分为两类：基础镜像层与扩展镜像层。

1. 基础镜像层

   所有镜像的最下层都具有一个可以看得到的基础镜像层Base Image，基础镜像层的文件系统称为根文件系统rootfs。而rootfs则是建立在Linux系统中“看不到的”引导文件系统bootfs之上。

2. 扩展镜像层

   在基础镜像层之上的镜像层称为扩展镜像层。顾名思义，其是对基础镜像层功能的扩展。在Dockerfile中，每条指令都是用于完成某项特定功能的，而每条指令都会生成一个扩展镜像层。

3. 容器层

   

   一旦镜像运行了起来就形成了容器，而容器就是一个运行中的Linux系统，其也是具有文件系统的。容器的这个文件系统是在docker镜像最外层之上增加了一个可读写的容器层，对文件的任何更改都只存在于容器层。因此任何对容器的操作都不会影响到镜像本身。

   容器层如果需要修改某个文件，系统会从容器层开始向下一层层的查找该文件，直到找到为止。任何对于文件的操作都会记录在容器层。例如，要修改某文件，容器层会首先把在镜像层找到的文件copy到容器层，然后再进行修改。删除文件也只会将存在于容器层中的文件副本删除。

   可以看出，Docker容器就是一个叠加后的文件系统，而这个容器层称为Union File System，联合文件系统。

3.5 LinuxOS启动过程(扩展)

现代操作系统都是C/S模式的微内核架构的，由两大部分构成：内核（Server）与服务模块（Client）。

Linux的bootfs文件系统由两部分构成：bootloader与kernel。

各个容器中的rootft就是由宿主机的kernel驱动的。

3.6 镜像摘要

每个镜像都有一个长度为64位的16进制字符串作为其摘要digest。

1. 查看摘要

   在docker pull镜像结束后会给出该拉取的镜像的摘要digest。

   

   通过docker inspect命令可以查看指定镜像的详细信息。其中就包含该镜像的摘要信息。

   

   通过docker images --digests命令也可以查看到镜像的摘要信息。

   

2. 摘要是什么

   摘要，即digest，是镜像内容的一个Hash值，即所谓的Content Hash（内容散列）。只要镜像内容发生了变更，其内容散列值就一定会发生改变。也就是说，一个镜像一旦创建完毕，其digest就不会发生改变了，因为镜像是只读的。

   Docker默认采用的Hash算法是SHA256，即Hah值是一个长度为256位的二进制值。Docker使用16进制表示，即变为了长度为64位的字符串。

3. 摘要有何用

   摘要的主要作用是区分相同<repository>:<tag>的不同镜像。

   例如镜像xxx:2.8在生产运行过程中发现存在一个BUG。现对其进行了修复，并使用原标签将其push回了仓库，那么原镜像被覆盖。但生产环境中遗留了大量运行中的修复前镜像的容器。此时，通过镜像标签已经无法区分镜像是修复前的还是修复后的了，因为它们的标签是相同的。此时通过查看镜像的digest就可以区分出修改前后版本，因为内容发生了变化，digest一定会变。

   为了确保再次拉取到的是修复后的镜像，可通过digest进行镜像拉取。其用法是：docker pull <repository>@<digest>

   不过，不方便的是，镜像的摘要需要由运维人员在本地进行手工维护。

4. 分发散列值

   在push或pull镜像时，都会对镜像进行压缩以减少网络带宽和传输时长。但压缩会改变镜像内容，会导致经过网络传输后，镜像内容与其digest不相符。出现问题。为了避免该问题，Docker又为镜像配置了Distribution Hash（分发散列值）。在镜像被压缩后立即计算分发散列值，然后使该值随压缩过的镜像一同进行发送。在接收方接收后，立即计算压缩镜像的分发散列值，再与携带的分发散列值对比。如果相同，则说明传输没有问题。

3.7 多架构镜像

Multi-architecture Image，即多架构镜像，是某<repository>中的某<tag>镜像针对不同操作系统/系统架构的不同镜像实现。即多架构镜像中包含的镜像的<repository>:<tag>都是相同的，但它们针对的操作系统/系统架构是不同的。

1. 多架构镜像原理

   无论用户使用的是什么操作系统/系统架构，其通过docker pull命令拉取到的一定是针对该操作系统/系统架构的镜像，无需用户自己考虑操作系统/系统架构问题。Docker Hub能够根据提交pull请求的Docker系统的架构自动选择其对应的镜像。

   

   在Docker Hub中，镜像的多架构信息保存在Manifest文件中。在拉取镜像时，Docker会随着pull命令将当前Docker系统的OS与架构信息一并提交给Docker Hub。Docker Hub首先会根据镜像的<repository>:<tag>查找是否存在Manifest。如果不存在，则直接查找并返回<repository>:<tag>镜像即可；如果存在，则会在Manifest中查找是否存在指定系统/架构的镜像。如果存在该系统/架构，则根据Manifest中记录的地址找到该镜像的位置。