Why Docker? Why not?

容器化解决了什么问题

云计算时代的各大云厂商采用按需配置的方式提供服务化的资源，资源的基本类型按抽象程度不同可分为 SaaS、PaaS 及 IaaS，而容器化解决的问题处在 PaaS 与 IaaS 之间。

PaaS 是基于 IaaS 发展出来的，但 IaaS 的资源最小调度单位是虚拟机，于是随着应用规模不断扩大，PaaS 层服务在使用 IaaS 层基础设施时，资源利用率不足的问题日益逐渐浮出水面，此外 IaaS 的资源分配还存在调度分发缓慢及软件运行环境不统一的问题。

所以对 PaaS 而言，利用容器化技术来解决资源利用率问题是预期之内的做法。

但随之而来的问题是 PaaS 在支持的软件环境方面有较大的限制，导致与平台强相关，运行时环境比较局限。

基于此，为解决上述问题，云计算平台迫切需要这样一种(容器化)技术，它应该具备以下特点：

1.轻量级：相比于传统的虚拟化技术，需要更加轻量，避免额外资源损耗

2.快速启动和停止：使开发者可以快速地进行测试和部署，提高开发的效率

3.可移植性：可以在任何支持容器化技术的平台上运行，无需担心兼容性问题

4.隔离性：互相隔离，即使同一台机器上运行多个容器也不会相互影响，保证安全和稳定性

容器化技术的前世今生

容器化技术随生产需要逐步演进，前期可追溯到 chroot 技术，而近期可跟进至 Docker。

chroot 解决安全问题

chroot 技术最早是在 1979 年由 Unix 系统的创始人之一 Ken Thompson 提出的。

当时，Unix 系统还不具备现代操作系统的安全机制，进程可以自由地访问整个文件系统和其他系统资源。这使得攻击者有可能对系统进行破坏、窃取数据或者攻击其他进程。

为了提高系统安全性，Ken Thompson 开发了 chroot 技术，它可以限制进程的访问范围，并将进程及其所有子进程限制在指定的目录树下运行。通过使用 chroot，管理员可以创建一个封闭的环境，使进程无法访问除该目录以外的任何文件或系统资源。

chroot 技术的推出解决了早期 Unix 系统中的安全问题，成为后来的操作系统中常用的安全机制之一。现在，chroot 技术已经被广泛应用于 Linux 和其他类 Unix 操作系统中，成为了保护系统安全的重要手段之一。

但 chroot 技术的局限性也比较明显：

1.chroot 并不能完全隔离进程：chroot 只能限制进程对文件系统的访问，但它无法防止网络攻击、内存泄漏和其他类型的攻击。

2.chroot 有时会导致权限问题：因为 chroot 进程被限制在特定的目录下，有些文件和设备可能无法访问，从而导致某些权限问题。

3.chroot 不适合所有应用程序：某些应用程序需要访问系统资源，例如 /proc、/sys 和 /dev 目录，这些目录无法完全移入 chroot 环境中。

VServer 解决虚拟化问题

Linux VServer 技术最初是在 2001 年由德国开发者 Herbert Xu 提出的。

当时，虚拟化技术已经成为操作系统领域中的一个重要研究方向，但传统的虚拟化技术存在一些问题，例如资源开销大、性能低下等。为了解决这些问题，Herbert Xu 开始探索一种更加轻量级和高效的虚拟化技术。

Linux VServer 技术就是基于这个背景而诞生的。它是一种基于内核级别的虚拟化技术，可以运行多个独立的实例，并提供与其他实例的隔离。Linux VServer 使用了诸如命名空间、进程容器、资源限制等技术来实现虚拟化和隔离，相比传统的虚拟化技术，它具有更低的资源占用率和更高的性能表现。

Linux VServer 技术的推出对互联网应用和云计算产生了深远的影响。它为容器化应用奠定了基础，同时也为 Linux 内核虚拟化提供了一种更加轻量级、高效和灵活的解决方案。

Linux VServer 技术虽然具有许多优点，但也存在一些不足之处：

独立性差：Linux VServer 虚拟化技术虽然可以在同一个内核下运行多个实例，但这些实例仍然是依赖于宿主机的。因此，在宿主机发生故障时，所有的实例都会受到影响。

兼容性问题：由于 Linux VServer 使用了一些特殊的内核技术，因此它可能与一些应用程序或软件包不兼容。

限制较多：虽然 Linux VServer 可以通过限制资源使用来实现隔离，但它对进程的控制和管理相对较少，无法像传统虚拟化技术那样实现更严格的隔离和安全性控制。

可伸缩性差：Linux VServer 运行的每个实例都需要占用一定数量的内存和 CPU 资源，因此在高负载情况下，宿主机可能无法满足这些需求，导致系统出现崩溃或停机等问题。

CGroups 解决资源管理问题

CGroups 技术最初由 Google 工程师 Paul Menage 在 2006 年提出。

当时，Google 正在研发一种称为 Google Caja 的沙箱技术，它可以在浏览器中运行不受信任的代码，但需要精细地控制这些代码对系统资源的访问。Paul Menage 发现 Linux 内核中缺乏一种有效的机制来实现资源管理，因此开始着手开发一种新的技术，即 CGroups。

CGroups 是 Linux 内核中的一个子系统，用于对进程进行分组，并对每个分组进行资源限制和控制。通过使用 CGroups，管理员可以限制应用程序使用的 CPU、内存、磁盘、网络等资源数量，从而提高系统的性能和稳定性。CGroups 还支持动态调整资源限制，以适应系统的实际负载。

CGroups 技术的推出对云计算和容器化应用产生了深远的影响。它成为了容器化技术中必不可少的一部分，使得容器可以更好地管理和控制系统资源的使用，同时也为操作系统资源管理提供了一种更加灵活、精细和高效的解决方案。

CGroups 技术虽然具有许多优点，但也存在一些不足之处：

1.学习曲线较高：CGroups 技术属于 Linux 内核的一部分，使用起来需要一定的技术水平和经验。此外，CGroups 配置文件的语法也比较复杂，需要花费一些时间来学习和掌握。

2.对系统性能的影响：CGroups 技术在实现资源管理和控制时，需要对系统进行额外的监测和调度，这会占用一定的计算资源，可能会对系统性能产生一定的影响。

3.不支持跨节点管理：CGroups 技术只能在单个节点上管理和控制进程资源，无法跨节点管理。如果需要在集群环境下使用 CGroups，需要使用其他工具或技术进行扩展。

4.限制较弱：CGroups 技术可以实现对 CPU、内存、磁盘、网络等资源的限制和控制，但它对进程的控制和管理相对较少，无法像传统虚拟化技术那样实现更严格的隔离和安全性控制。

LXC(更优的 Linux VServer)

LXC 技术最初由 Linux Containers 项目团队在 2008 年提出。

当时，虚拟化技术已经成为操作系统领域中的一个重要研究方向，但传统的虚拟化技术存在一些问题，例如资源开销大、性能低下等。为了解决这些问题，人们开始探索一种更加轻量级和高效的虚拟化技术，即容器化技术。

Linux Containers 项目是针对容器化技术的研究项目，旨在开发一种基于 Linux 内核的轻量级虚拟化技术，并提供相应的工具和接口来管理和使用容器。

LXC（Linux Containers）技术是 Linux Containers 项目推出的一种容器化技术，它可以在同一个内核下运行多个独立的实例，并提供与其他实例的隔离。LXC 使用了诸如命名空间、进程容器、CGroups 等技术来实现虚拟化和隔离，相比传统的虚拟化技术，它具有更低的资源占用率和更高的性能表现。

因此，LXC 技术为操作系统提供了一种更加灵活、精细和高效的容器化技术，可以帮助管理员更好地掌控系统的资源使用情况。它也成为了容器化技术中必不可少的一部分，使得容器可以更好地管理和控制系统资源的使用。

LXC 技术解决了操作系统中的虚拟化和隔离问题，但和 Linux VServer 存在一些区别，相当于是后起之秀：

1.虚拟化方式不同：Linux VServer 使用了一些特殊的内核技术来实现虚拟化和隔离，而 LXC 则使用了诸如命名空间、进程容器、CGroups 等技术。相比之下，LXC 更加轻量级、灵活和易于集成到其他工具和系统中。

2.隔离程度不同：Linux VServer 可以实现更加严格的隔离和控制，例如进行网络隔离、文件系统隔离等。而 LXC 主要提供的是进程级别的隔离，无法做到像 Linux VServer 那样的全面隔离。

3.兼容性不同：由于 Linux VServer 使用了一些特殊的内核技术，因此它可能与一些应用程序或软件包不兼容。LXC 则没有这个问题，因为它使用的是常规内核功能。

4.可伸缩性不同：Linux VServer 可以在一个内核下运行多个独立的实例，但每个实例需要占用一定数量的资源，因此在高负载情况下，可能会导致系统出现崩溃或停机等问题。LXC 则具有更好的可伸缩性，可以根据系统负载动态调整资源限制。

Docker 解决不同环境中部署和运行的问题

Docker 技术最初由 dotCloud 公司的工程师 Solomon Hykes 在 2013 年提出。

当时，云计算和分布式应用正在快速发展，越来越多的应用程序需要部署到不同的环境中。然而，传统的应用部署方式存在一些问题，例如环境依赖、兼容性等问题，这使得应用程序在不同环境中运行变得困难和复杂。

为了解决这些问题，Solomon Hykes 开始着手开发一种新型的应用程序打包和部署技术，即 Docker 技术。他将 Docker 定义为“一个开放平台，用于开发、交付和运行应用程序”，并着重强调了其“轻量级、可移植和自包含”的特点。

Docker 技术使用了类似于 Linux 容器的技术，在单个主机上创建多个独立的应用程序运行环境，并提供了相应的工具和接口来管理和使用这些容器。通过使用 Docker，开发人员可以轻松地构建、打包和部署应用程序，并将其部署到任何支持 Docker 的环境中。

由于 Docker 技术具有轻量级、可移植和易于使用的特点，因此在推出后很快就受到了广泛的关注和应用。Docker 技术也成为了容器化技术中的一个重要组成部分，促进了应用程序的快速、可靠和安全部署。

是的，Docker 技术虽然具有许多优点，但也存在一些不足之处：

1.资源消耗较高：在 Docker 容器中运行应用程序需要占用一定的资源，例如内存、CPU 等，因此如果容器数量过多或者应用程序负载过重，可能会导致系统性能下降。

2.安全性问题：尽管 Docker 提供了一些安全机制来限制容器的权限和访问范围，但由于所有容器都共享同一个主机内核，因此容器之间可能存在一定的安全风险。如果某个容器受到攻击或遭遇漏洞利用，可能会影响其他容器及主机系统的安全。

3.文件系统性能问题：Docker 的默认文件系统（aufs）存在一些性能问题，因此在大规模部署时可能会出现瓶颈。为了解决这个问题，需要使用其他文件系统，例如 btrfs 或者 overlay。

4.容器镜像大：Docker 容器镜像通常比传统的虚拟机镜像更大，这可能会导致部署和下载的时间增长，尤其是在网络状况较差的情况下。

为何 Docker 会横空出世

在大概了解容器历史后，我们可能会问：

其他容器化技术看着都不错，那为什么会再出现 Docker？它出现的契机是什么？

Cloud Foundry “大意失荆州”

在 2013 年，Cloud Foundry 社区已经成为了一个非常活跃和成熟的开源社区，吸引了越来越多的开发者和企业加入其中。许多云计算专家和业界人士高度评价了 Cloud Foundry 社区的开放性、易用性和可扩展性等优点。与其他 PaaS 平台相比，人们认为 Cloud Foundry 具有更好的灵活性和可扩展性，可以支持多种编程语言和开发框架，并且能够无缝集成到其他云计算平台中。

总的来说，人们对 Cloud Foundry 社区持有相当积极的看法，认为它是一种具有潜力和前途的 PaaS 平台。换句话说，当时的关注点都聚焦在 PaaS，人们的一致判断是 PaaS 时代即将来临，而 Cloud Foundry 将会是 PaaS 时代的主角。

但为何在 dotCloud 公司开源容器项目 Docker 后，Cloud Foundry 仍未作出回应？比如底层容器使用 Docker 或者推出更优的容器化技术。

可以从内外两方面去看：

1.对外，Cloud Foundry 主要精力放在与 AWS、Microsoft Azure 和 Google Cloud Platform 等巨头及开源和商业产品如 Heroku、OpenShift、AppFog 在 PaaS 解决方案层面的竞争上，几乎没有精力投入到容器层面的探索。

2.对内，Cloud Foundry 的首席产品经理 James Bayer 发现 Docker 实际上也只是一个同样使用 Cgroups 和 Namespace 实现的“沙盒”而已，并没有什么特别的黑科技，所以压根没有引起足够的重视。

dotCloud 公司为何开源容器项目 Docker

其实，在 2013 年，dotCloud 公司的主打产品是一个基于 PaaS（平台即服务）模式的云应用开发和部署平台。该平台被称为 dotCloud PaaS 平台，提供了一种简单、快速和灵活的方式，帮助开发者构建和部署云应用程序。

然而，经过缜密分析，dotCloud 公司最终放弃了早期的 PaaS（平台即服务）产品并转向 Docker 容器化技术的研究和开发。

具体而言，有以下几个原因：

1.市场需求：在 2013 年，云计算市场正处于快速发展阶段，PaaS 平台已经成为了较为成熟的云服务类型之一。然而，与此同时，虚拟化容器技术也开始崭露头角，并受到了越来越多的关注和认可。因此，为了更好地满足市场需求并获得更大的商业机会，dotCloud 公司决定将重心转移到容器化技术上。

2.技术优势：相对于传统的 PaaS 平台，容器化技术能够提供更高效、灵活和可移植的应用程序交付方式。Docker 技术作为一种新兴的容器化技术，具有许多优秀的特点，例如快速启动时间、低资源占用、跨平台支持等等。dotCloud 公司认为，Docker 技术具有很大的市场前景和商业价值，因此转向 Docker 技术的研究和开发。

3.商业战略：随着云计算市场的不断成熟和竞争的激化，dotCloud 公司需要调整自己的商业战略以保持竞争力。公司认为，放弃 PaaS 平台并专注于容器化技术能够更好地适应市场需求，并为未来的发展奠定更加稳固的基础。

总的来说，dotCloud 公司放弃主打产品并转向 Docker 容器化技术的决策是出于商业考虑和技术优势等多方面的因素。这个决策最终证明是正确的，Docker 技术后来成为了云计算领域最受欢迎和使用的容器技术之一。

Docker 到底做了什么

所以，Docker 的出现是由于 dotCloud 公司在各种围追堵截下作了一个英明的决策，但 Docker 为何会如此成功？

回答这个问题，需要了解下当时主流 PaaS 平台在打包阶段存在的主要问题是什么。

PaaS 平台在打包阶段的痛点

回到 2013 年，主流的 PaaS 平台在打包阶段存在以下痛点：

1.打包过程繁琐：通常需要手动将应用程序代码和相关依赖项打包成一个可执行文件或者镜像，这一过程十分繁琐且易错。

2.版本管理困难：如果需要对应用程序进行升级或回滚，可能会涉及到版本管理的问题，例如如何处理旧版和新版的代码、配置等。

3.依赖冲突：由于应用程序不同的依赖版本之间可能会存在冲突，导致无法正常打包和部署。

4.构建速度慢：打包过程可能需要编译代码、生成库文件等操作，这些操作耗时较长，可能影响整个构建过程的效率。

5.可移植性差：由于不同的 PaaS 平台之间环境不同、技术栈不同，可能导致打包后的应用程序无法在其他平台上正常运行。

正是这些痛点在当时限制了 PaaS 平台的发展和应用范围。

Docker 镜像的一致性机制

而 Docker 提供了镜像，完美的解决了上述所有问题：

1.打包过程简化：Docker 提供了一套完整的命令行工具和 API，使得应用程序可以快速、自动地构建、打包、发布和部署，无需手动处理。

2.版本管理方便：每个 Docker 镜像都有唯一的标识符，可以轻松地进行版本管理和回滚操作。

3.依赖冲突解决：Docker 技术通过基于分层存储的方式，避免了不同版本之间的依赖冲突问题，因此可以在同一平台上同时运行多个不同版本的应用程序。

4.构建速度快：Docker 使用镜像分层和缓存机制，可以提高构建速度，减少重复构建过程，从而提高整个构建过程的效率。

5.可移植性强：Docker 容器是一个独立的运行环境，可以在任何支持 Docker 的硬件平台上运行，从而实现了应用程序的可移植性。

可以看到，Docker 技术的出现，大大简化和优化了应用程序的构建、打包和部署过程，提高了整个 PaaS 平台的效率、可靠性和可移植性。

一句话总结：在不同环境下（例如开发、测试、生产环境等）使用相同的 Docker 镜像，可以保证应用程序在各个环境中的运行行为一致。

Docker 镜像的关键技术

镜像采用标准化的打包技术保障了不同环境的一致性，从而极大提升了运维效率，那作为有追求的 Geeker，有必要对 Docker 镜像的关键技术一探究竟。

进而我们需要回答的是镜像的原理是什么，以及如何制作和管理镜像。

镜像的原理

镜像可以保持一致性的核心在于将操作系统的整个文件和目录做了打包，对应用运行所依赖的环境做了一次完整的封装，从而屏蔽了不同服务器运行环境的差异，真正做到'build once,run everywhere'。

基础镜像(只读文件制作)

而对操作系统进行打包用到的核心技术是 rootfs，rootfs 是 Linux 系统中用来挂载根文件系统的技术，它是一个只读文件系统，包含了操作系统所需的全部文件和目录。这这是基础镜像的初始形态。

可以通过一个例子了解 rootfs 制作的过程，生成基础镜像：

1.创建一个目录作为 rootfs 的挂载点，例如：mkdir myrootfs

2.利用 debootstrap 工具来下载一个基础的 Linux 系统文件系统，例如：

sudo debootstrap bionic myrootfs

3.进入 myrootfs 目录并且 chroot 到该目录中：

cd myrootfs & sudo chroot .

4.在 chroot 后的环境中进行一些自定义设置，例如安装软件、修改配置等操作。

5.退出 chroot 环境并将 myrootfs 文件夹打包成一个 tar 包：

sudo tar -czvf rootfs.tar.gz myrootfs/

6.将 rootfs.tar.gz 文件导入到 Docker 镜像中：

docker import rootfs.tar.gz my-rootfs

一句话总结：Docker 基础镜像就是通过将一个或多个 rootfs 文件系统打包成一个可执行文件（通常是 tar 格式），并添加一些元数据信息（如标签、版本号等）而生成的。

镜像的分层机制

基础镜像解决了操作系统级别的环境一致性问题，然而随之而来的问题是如果直接基于 rootfs 作为基础镜像，那么基础镜像会由于碎片化严重而导致管理成本相当高，比如基于某个操作系统的镜像在添加运行时环境后形成了一个 rootfs(A)，别的项目更需要复用 A，这样在 A 的基础上又添加了一些运行时环境形成了 rootfs(B)，但 A 和 B 实际上是不同的镜像，继而也会出现 C、D、E 等多个镜像，管理成本可想而知。

所以我们需要一个基于增量的管理方式，这就是 Docker 镜像的分层机制。

分层机制的关键在于联合文件系统（Union File System），它是一种可以将多个文件系统合并成为一个单一的文件系统的技术。

我们先通过一个例子来了解 UnionFS 是如何工作的：

1.假设有两个目录，分别为 /mnt/base 和 /mnt/upper，其中 /mnt/base 目录包含了一个基础文件系统，而 /mnt/upper 目录包含了一些修改和定制。现在需要将这两个目录合并成一个单一的文件系统，并将该文件系统挂载到 /mnt/merged 目录下。

2.可以通过 UnionFS 技术来实现此目的。以 AUFS 为例，可以使用以下命令来创建一个 AUFS 文件系统并将其挂载到 /mnt/merged 目录下：

sudo mount -t aufs -o br=/mnt/upper=rw:/mnt/base=ro none /mnt/merged

在上述命令中，-t 参数指定文件系统类型为 AUFS，-o 参数指定操作选项为 br（branches），即指定多个只读层和一个可写层之间的关系。在本例中，/mnt/upper 目录被指定为可写层，/mnt/base 目录被指定为只读层，none 则为 AUFS 文件系统的挂载点。

此时，/mnt/merged 目录就是一个由多个只读层和一个可写层组成的文件系统了。可以将该文件系统用于各种操作，例如使用 rsync 命令同步数据、使用 dd 命令复制磁盘等。更新只读层时，可以通过重新挂载来更新文件系统。

UnionFS 的分层机制可解决的碎片化严重问题，但在需要修改镜像的情况下，该如何做？

这个问题的答案是 Copy on Write（写时复制）。采用 UnionFS 后，镜像的文件结构可用下图表示：

当容器试图在只读层中进行修改时，Docker 会自动将需要修改的数据复制到可读写层中，并在此层中进行修改，这样就可以保留原始数据的完整性，同时也可以允许容器进行修改。

对只读层进行修改的过程如下：

1.容器首先尝试从只读层中读取数据。

2.如果需要对数据进行修改，则会触发写时复制机制，将需要修改的数据复制到可写层中。

3.容器在可写层中进行修改，并将修改后的数据保存到可写层中。

4.当容器需要读取数据时，Docker 会优先从可写层中读取数据，如果不存在则从只读层中读取。

与传统的文件系统拷贝方式相比，CoW 具有以下优势：

1.空间利用率高：写时复制技术可以在容器内部共享同一文件系统镜像，而不是每个容器都需要单独拷贝一份文件系统。这样可以节省存储空间，并使得容器的启动速度更快。

2.隔离性好：每个容器都有自己的文件系统层级结构，通过对文件系统的读写操作，可以隔离不同容器之间的数据和状态。

3.效率高：写时复制只会在容器内发生写操作时才进行，避免了无效的文件复制，从而提高了系统的效率和性能。

4.方便管理：写时复制使得容器之间的文件系统结构可以轻松地进行分层管理和维护，从而方便管理员进行容器的更新、备份和迁移等操作。

我们注意到，由于只读层是不可修改的，那么对文件进行删除操作是如何生效的？

这就涉及到 whiteout 文件的作用。

在 Docker 镜像中删除某个文件时，实际上并不是直接从镜像中删除该文件。相反，Docker 会在镜像中创建一个特殊的文件，称为 whiteout 文件，来表示该文件已经被删除。

whiteout 文件的作用是将镜像的多个层（layers）合并成一个单独的文件系统。当一个文件被删除时，Docker 会在相应的层中创建一个名为 .wh.<filename> 的 whiteout 文件，这样在后续的层中就不会再包含该文件了。例如，假设一个名为 /tmp/foo.txt 的文件需要被删除，Docker 将会在每个包含该文件的层中创建一个名为 .wh.foo.txt 的 whiteout 文件，从而表示该文件已经被删除。

当 Docker 启动一个容器时，它会使用这些 whiteout 文件来确定哪些文件应该被显示给容器，哪些文件应该被隐藏。具体来说，Docker 通过查找每个层中的 whiteout 文件和相应的文件名，来确定最终的文件系统中是否包含该文件。如果存在 whiteout 文件，则说明该文件已经被删除，并且不应该显示给容器；否则，该文件应该被显示给容器。

另外，对于一些临时生效的环境变量，并不想配置到基础镜像中，该如何处理？

Docker 镜像的 Init 层就是用来解决这个问题的。

Init 层（也称为启动层）是镜像的最顶层，用于在容器启动时执行初始化操作。它包含了容器运行时所需的所有文件、配置和命令，以及将容器启动到运行状态所需的所有步骤。

Init 层通常是在 Dockerfile 中通过 CMD 或 ENTRYPOINT 指令指定的。这些指令定义了容器的启动命令，并将它们添加到 Init 层中。当容器启动时，Docker 会首先执行 Init 层中的命令，以确保容器正确地启动到运行状态。

Init 层的具体作用如下：

1.启动前的准备工作：Init 层可以包含所有容器运行时所需的文件和配置，例如环境变量、配置文件、证书等。这些文件和配置都可以在容器启动时被加载和使用，以确保容器能够正常运行。

2.执行启动命令：Init 层可以包含容器的启动命令，例如应用程序或服务的启动命令。这些命令会在容器启动时被执行，以确保容器能够正常提供服务。

3.进程管理：一些 Init 层还包含进程管理器，例如 systemd 或 supervisord。这些进程管理器可以负责管理容器中的多个进程，并确保它们能够正确地启动和运行。

运行态镜像

容器本质上是一个进程，同时进程看到的文件系统默认是操作系统的，会导致容器在修改公用文件时会影响到其他容器，因此需要一种视图隔离机制区分不同容器可见的文件系统，在容器中这种文件系统视图隔离机制即是 Mount namespace。

我们知道 chroot 命令可以用来改变进程的根目录，从而修改进程看到的文件系统视图。

例如，如果要将进程的根目录切换到 /mnt/chroot 目录下，可以使用以下命令：

chroot /mnt/chroot /bin/bash

此时，/mnt/chroot 目录就成为了新的根目录，而进程只能看到该目录下的文件和目录。

实际上，容器在运行阶段，需要看到的文件系统正是基础镜像 rootfs。

既然同样是修改进程根目录，所以 Mount namespace 和 chroot 间是否存在关系？

答案是肯定的。Mount Namespace 正是基于对 chroot 的不断改良才被发明出来的。

在早期的 Linux 发行版中，chroot 命令被广泛用于安全环境的搭建和软件开发中。但随着系统的发展和应用场景的变化，人们逐渐意识到 chroot 存在一些限制和问题，如：

1.chroot 无法隔离进程、网络、用户等方面的资源，容易受到攻击和漏洞的影响。

2.chroot 修改根目录后，无法访问原先的文件系统结构，对于某些应用场景可能不够灵活和定制化。

3.chroot 无法实现多层次的文件系统隔离和管理，难以支持复杂的应用场景。

为了解决这些问题，Kernel 开发者们在 Linux Kernel 2.4.19 中引入了 Mount Namespace 机制，并通过不断完善和改良，使其成为了当前最主流的容器技术之一。

与 chroot 相比，Mount Namespace 具有以下优点：

1.可以实现更加细粒度的文件系统隔离和管理，支持多层次的文件系统挂载和卸载操作。

2.可以隔离进程、网络、用户等方面的资源，提高系统的安全性和稳定性。

3.可以支持复杂的应用场景和定制化需求，如容器化、虚拟化等。

那么 Mount namespace 具体是如何工作的？

每个 Mount Namespace 都有自己的文件系统挂载点树和根目录，使得不同命名空间内部的文件系统结构是相互隔离的。当进程创建一个新的 Mount Namespace 时，它会继承当前进程的文件系统挂载点树，并可以对该树进行修改。

在 Mount Namespace 中，可以通过以下方式将文件系统挂载到指定的目录下：

1.使用 mount 系统调用将文件系统挂载到指定的目录下。

2.使用 pivot_root 系统调用将当前根目录切换为另一个目录，并同时将该目录作为新的挂载点；如果系统不支持，才会使用 chroot。

3.使用 unshare 系统调用创建一个新的 Mount Namespace，并且与当前进程的文件系统挂载点树分离。

利用 Mount Namespace，可以实现多层次的文件系统隔离和管理，支持动态挂载和卸载文件系统，从而提高了系统的灵活性和可定制化。

到这里，我们已经了解到镜像的静态模型与运行态机制，接下来看镜像是如何管理的。

如何管理镜像

围绕如何存储及如何操作镜像，Docker 提供的存储管理方案可用下图表示。

组件功能说明：

registry 是一个中央仓库，负责存储和管理 Docker 镜像。用户可以向 registry 上传镜像，并从 registry 下载镜像。Docker 支持多种 Registry，包括 Docker Hub 公共镜像仓库和用户自建私有镜像仓库等。

distribution 是 Docker 镜像发布和分发的平台，主要负责实现 Docker 镜像的上传、下载和分发等功能。distribution 主要由 Docker Registry API 和 Manifest Format 两个组件构成。其中，Docker Registry API 提供了镜像存储和拉取的接口，可以通过 HTTP 协议进行通信；而 Manifest Format 则定义了 Docker 镜像的元数据和层级关系。

通常情况下，distribution 被部署在 registry 上，作为其核心组件之一。当用户上传或下载镜像时，registry 会将请求转发给 distribution 进行处理，并根据 Manifest 文件重新构建 Docker 镜像。distribution 会将 Docker 镜像拆分为多个文件系统层级进行存储，并根据 Manifest 文件记录每个层级的元数据和依赖关系。同时，distribution 还会对镜像的安全性进行检查，并记录相关日志和事件。

Image 是指一个特定的文件系统状态，它包含了应用程序、库、依赖项等组件，并且是可运行的代码。Reference 是指对 Image 的引用，可以是镜像名称、标识符或仓库地址等。

而 Layer 则是 Image 的组成部分，是一种分层存储结构，每个 Layer 只包含新增或修改的文件内容，并与基础镜像共享不变的文件系统内容。Image 是由多个 Layer 组成的，每个 Layer 定义了 Docker 镜像中的一个文件系统层级，按照顺序叠加形成完整的镜像。同时，每个 Layer 都可以被共享和复用，这样可以大幅度减少存储空间，提高了镜像的复用性和管理效率。

在了解组件功能后，我们通过镜像上传、下载的场景来看镜像管理机制具体是如何工作的：

1.创建 Docker 镜像：首先需要使用 Dockerfile 文件或其他方式创建一个 Docker 镜像，其中包含了需要上传的文件系统、软件环境和应用程序等组件。每个 Docker 镜像都有唯一的名称和标识符（Image ID），通常采用 <Registry>/<Repository>:<Tag> 的命名格式。

2.打标签：为了便于在 Registry 中管理和查找 Docker 镜像，需要为 Docker 镜像打上标签，即为镜像添加一个易于识别的名称和版本号。比如可以使用 docker tag 命令将镜像标记为 <Registry>/<Repository>:<Tag> 的形式。

3.Push 到 Registry：将 Docker 镜像推送到 Registry 中进行存储和管理。Docker 支持多种 Registry，包括 Docker Hub 公共镜像仓库和用户自建私有镜像仓库。通过 docker push 命令可以将本地镜像推送到指定 Registry 中。

4.分层存储：Docker 镜像使用分层存储结构来实现镜像的复用和节约存储空间。每个镜像由多个只读层（Layer）组成，每个层都是一个文件系统的快照。在上传镜像时，Docker 会将不同层级的文件系统分别上传到 Registry 中，并通过 Manifest 文件记录每个层级的元数据和依赖关系。

5.拉取和部署：一旦完成上传，其他用户就可以通过 docker pull 命令从 Registry 中拉取 Docker 镜像，并在本地构建和运行容器。管理员可以使用 Docker API 或其他方式对 Docker 镜像进行管理和维护。

以上，就是 Docker 镜像工作机制的介绍。

同时，我们也看到，Docker 持续火热，和它的良好生态密不可分。

开源社区与生态

Docker 镜像的开源社区和生态系统非常活跃和强大，其中包括以下几个方面：

Docker Hub

Docker 官方提供的镜像仓库，在这里可以找到大量官方维护的基础镜像以及其他用户分享的镜像，轻松获取镜像并使用。

Docker Compose

是 Docker 的官方工具之一，用于在 Docker 中定义和运行多容器应用程序。其允许用户通过 YAML 文件定义多个容器，并协调它们之间的通信。

Kubernetes

Kubernetes 是开源的容器编排平台，可用于管理 Docker 集群。它提供了自动化部署、扩展、操作和监控容器化应用程序的功能。

Docker Swarm

Docker Swarm 是 Docker 官方提供的容器编排平台，支持高可用性和负载均衡等功能。

OpenShift

OpenShift 是 Red Hat 公司开发的 PaaS 平台，基于 Docker 和 Kubernetes 构建，提供了完整的应用程序生命周期管理功能。

此外，还有许多外部开发人员和团队在 Docker 镜像生态系统上积极贡献，不断推出新的镜像、工具和应用程序，以丰富和完善 Docker 镜像生态系统。这些开源社区和生态系统的发展，使得 Docker 镜像不仅成为开发、部署应用程序的首选方式之一，也促进了整个云计算领域的发展。

声明：文章中部分事实内容引用自 ChatGPT。