使用 buildx 构建跨平台镜像
构建跨平台镜像是 Docker 生态系统中的一个重要话题，因为跨平台镜像可以在多种平台上运行，极具灵活性。为了实现这个目标，Docker 社区提供了多种方式来构建跨平台镜像，其中之一是使用 docker manifest，我在《使用 docker manifest 构建跨平台镜像》一文中详细介绍了这种方法。然而，目前最流行的方式是使用 Docker 的 buildx 工具，这种方式不仅可以轻松构建跨平台镜像，还可以自动化整个构建过程，大大提高了效率。在本文中，我们将重点介绍使用 buildx 构建跨平台镜像的方法和技巧。
简介
buildx 是 Docker 官方提供的一个构建工具，它可以帮助用户快速、高效地构建 Docker 镜像，并支持多种平台的构建。使用 buildx，用户可以在单个命令中构建多种架构的镜像，例如 x86 和 ARM 架构，而无需手动操作多个构建命令。此外，buildx 还支持 Dockerfile 的多阶段构建和缓存，这可以大大提高镜像构建的效率和速度。
安装
buildx 是一个管理 Docker 构建的 CLI 插件，底层使用 BuildKit 扩展了 Docker 构建功能。
笔记：
BuildKit是 Docker 官方提供的一个高性能构建引擎，可以用来替代 Docker 原有的构建引擎。相比于原有引擎，BuildKit具有更快的构建速度、更高的并行性、更少的资源占用和更好的安全性。
要安装并使用 buildx，需要 Docker Engine 版本号大于等于 19.03。
如果你使用的是 Docker Desktop，则默认安装了 buildx。可以使用 docker buildx version 命令查看安装版本，得到以下类似输出，证明已经安装过了。
如果需要手动安装，可以从 GitHub 发布页面下载对应平台的最新二进制文件，重命名为 docker-buildx，然后将其放到 Docker 插件目录下（Linux/Mac 系统为 $HOME/.docker/cli-plugins，Windows 系统为 %USERPROFILE%\.docker\cli-plugins）。
Linux/Mac 系统还需要给插件增加可执行权限 chmod +x ~/.docker/cli-plugins/docker-buildx，之后就可以使用 buildx 了。
更详细的安装过程可以参考官方文档。
构建跨平台镜像
首先，需要澄清的是，本文中所提到的「跨平台镜像」这一说法并不十分准确。实际上，Docker 官方术语叫 Multi-platform images 即「多平台镜像」，意思是支持多种不同 CPU 架构的镜像。之所以使用「跨平台镜像」这一术语，是因为从使用者的角度来看，在使用如 docker pull、docker run 等命令来拉取和启动容器时，并不会感知到这个镜像是一个虚拟的 manifest list 镜像还是针对当前平台的镜像。
笔记：
manifest list是通过指定多个镜像名称创建的镜像列表，是一个虚拟镜像，它包含了多个不同平台的镜像信息。可以像普通镜像一样使用docker pull和docker run等命令来操作它。如果你想了解关于manifest list的更多信息，可参考《使用 docker manifest 构建跨平台镜像》一文。
跨平台镜像构建策略
builder 支持三种不同策略构建跨平台镜像：
在内核中使用 QEMU 仿真支持。
如果你正在使用 Docker Desktop，则已经支持了 QEMU，QEMU 是最简单的构建跨平台镜像策略。它不需要对原有的 Dockerfile 进行任何更改，BuildKit 会通过 binfmt_misc 这一 Linux 内核功能实现跨平台程序的执行。
工作原理：
QEMU 是一个处理器模拟器，可以模拟不同的 CPU 架构，我们可以把它理解为是另一种形式的虚拟机。在 buildx 中，QEMU 用于在构建过程中执行非本地架构的二进制文件。例如，在 x86 主机上构建一个 ARM 镜像时，QEMU 可以模拟 ARM 环境并运行 ARM 二进制文件。
binfmt_misc 是 Linux 内核的一个模块，它允许用户注册可执行文件格式和相应的解释器。当内核遇到未知格式的可执行文件时，会使用 binfmt_misc 查找与该文件格式关联的解释器（在这种情况下是 QEMU）并运行文件。
QEMU 和 binfmt_misc 的结合使得通过 buildx 跨平台构建成为可能。这样我们就可以在一个架构的主机上构建针对其他架构的 Docker 镜像，而无需拥有实际的目标硬件。
虽然 Docker Desktop 预配置了 binfmt_misc 对其他平台的支持，但对于其他版本 Docker，你可能需要使用 tonistiigi/binfmt 镜像启动一个特权容器来进行支持：
使用相同的构建器实例在多个本机节点上构建。
此方法直接在对应平台的硬件上构建镜像，所以需要准备各个平台的主机。因为此方法门槛比较高，所以并不常使用。
使用 Dockerfile 中的多阶段构建，交叉编译到不同的平台架构中。
交叉编译的复杂度不在于 Docker，而是取决于程序本身。比如 Go 程序就很容易实现交叉编译，只需要在使用 go build 构建程序时指定 GOOS、GOARCH 两个环境变量即可实现。
创建 builder
要使用 buildx 构建跨平台镜像，我们需要先创建一个 builder，可以翻译为「构建器」。
使用 docker buildx ls 命令可以查看 builder 列表：
这两个是默认 builder，default * 中的 * 表示当前正在使用的 builder，当我们运行 docker build 命令时就是在使用此 builder 构建镜像。
可以发现，这两个默认的 builder 第二列 DRIVER/ENDPOINT 项的值都是 docker，表示它们都使用 docker 驱动程序。
buildx 支持以下几种驱动程序：
默认的 docker 驱动程序优先考虑简单性和易用性，所以它对缓存和输出格式等高级功能的支持有限，并且不可配置。其他驱动程序则提供了更大的灵活性，并且更擅长处理高级场景。
具体差异你可以到官方文档中查看。
因为使用 docker 驱动程序的默认 builder 不支持使用单条命令（默认 builder 的 --platform 参数只接受单个值）构建跨平台镜像，所以我们需要使用 docker-container 驱动创建一个新的 builder。
命令语法如下：
参数含义如下：
--name：构建器名称，必填。--driver：构建器驱动程序，默认为docker-container。--driver-opt：驱动程序选项，如选项--driver-opt=image=moby/buildkit:v0.11.3可以安装指定版本的BuildKit，默认值是 moby/buildkit。
更多可选参数可以参考官方文档。
我们可以使用如下命令创建一个新的 builder：
再次查看 builder 列表：
可以发现选中的构建器已经切换到了 mybuilder，如果没有选中，你需要手动使用 docker buildx use mybuilder 命令切换构建器。
启动 builder
我们新创建的 mybuilder 当前状态为 inactive，需要启动才能使用。
inspect 子命令用来检查构建器状态，使用 --bootstrap 参数则可以启动 mybuilder 构建器。
再次查看 builder 列表，mybuilder 状态已经变成了 running。
其中 PLATFORMS 一列所展示的值 linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/mips64le, linux/mips64, linux/arm/v7, linux/arm/v6 就是当前构建器所支持的所有平台了。
现在使用 docker ps 命令可以看到 mybuilder 构建器所对应的 BuildKit 容器已经启动。
这个容器就是辅助我们构建跨平台镜像用的，不要手动删除它。
使用 builder 构建跨平台镜像
现在一些准备工作已经就绪，我们终于可以使用 builder 构建跨平台镜像了。
这里以一个 Go 程序为例，来演示如何构建跨平台镜像。
hello.go 程序如下：
这个程序非常简单，执行后打印 Hello, 操作系统/CPU 架构。
Go 程序还需要一个 go.mod 文件：
编写 Dockerfile 内容如下：
这是一个普通的 Dockerfile 文件，为了减小镜像大小，使用了多阶段构建。它跟构建仅支持当前平台的镜像所使用的 Dockerfile 没什么两样。
以上三个文件需要放在同一个目录下，然后就可以在这个目录下使用 docker buildx 来构建跨平台镜像了。
docker buildx build 语法跟 docker build 一样，--platform 参数表示构建镜像的目标平台，-t 表示镜像的 Tag，. 表示上下文为当前目录。
唯一不同的是对 --platform 参数的支持，docker build 的 --platform 参数只支持传递一个平台信息，如 --platform linux/arm64，也就是一次只能构建单个平台的镜像。
而使用 docker buildx build 构建镜像则支持同时传递多个平台信息，中间使用英文逗号分隔，这样就实现了只用一条命令便可以构建跨平台镜像的功能。
执行以上命令后，我们将会得到一条警告：
这条警告提示我们没有为 docker-container 驱动程序指定输出，生成结果将只会保留在构建缓存中，使用 --push 可以将镜像推送到 Docker Hub 远程仓库，使用 --load 可以将镜像保存在本地。
这是因为我们新创建的 mybuilder 是启动了一个容器来运行 BuildKit，它并不能直接将构建好的跨平台镜像输出到本机或推送到远程，必须要用户来手动指定输出位置。
我们可以尝试指定 --load 将镜像保存的本地主机。
结果会得到一条错误日志。看来它并不支持直接将跨平台镜像输出到本机，这其实是因为传递了多个 --platform 的关系，如果 --platform 只传递了一个平台，则可以使用 --load 将构建好的镜像输出到本机。
那么我们就只能通过 --push 参数将跨平台镜像推送到远程仓库了。不过在此之前需要确保使用 docker login 完成登录。
现在登录 Docker Hub 就可以看见推送上来的跨平台镜像了。
我们也可以使用 imagetools 来检查跨平台镜像的 manifest 信息。
可以看到，这个跨平台镜像包含了两个目标平台的镜像，分别是 linux/arm64 和 linux/amd64。
我们分别在 Apple M2 芯片平台和 Linux x86 平台来启动这个 Docker 镜像看下输出结果。
至此，我们使用 builder 完成了跨平台镜像的构建。
使用交叉编译
以上演示的构建跨平台镜像过程就是利用 QEMU 的能力，因为 Go 语言的交叉编译非常简单，所以我们再来演示一下如何使用交叉编译来构建跨平台镜像。
我们只需要对 Dockerfile 文件进行修改：
其中 BUILDPLATFORM、TARGETOS、TARGETARCH、TARGETPLATFORM 四个变量是 BuildKit 提供的全局变量，分别表示构建镜像所在平台、操作系统、架构、构建镜像的目标平台。
在构建镜像时，BuildKit 会将当前所在平台信息传递给 Dockerfile 中的 BUILDPLATFORM 参数（如 linux/arm64）。
通过 --platform 参数传递的 linux/arm64,linux/amd64 镜像目标平台列表会依次传递给 TARGETPLATFORM 变量。
而 TARGETOS、TARGETARCH 两个变量在使用时则需要先通过 ARG 进行声明，BuildKit 会自动为其赋值。
在 Go 程序进行编译时，可以通过 GOOS 环境变量指定目标操作系统，通过 GOARCH 环境变量指定目标架构。
所以这个 Dockerfile 所表示的含义是：首先拉取当前构建镜像所在平台的 golang 镜像，然后使用交叉编译构建目标平台的 Go 程序，最后将构建好的 Go 程序复制到目标平台的 alpine 镜像。
最终我们会通过交叉编译得到一个跨平台镜像。
笔记：通过
FROM --platform=$BUILDPLATFORM image可以拉取指定平台的镜像，由此我们可以知道，其实 golang 和 alpine 镜像都是支持跨平台的。
构建镜像命令不变：
启动镜像后输出结果不变：
至此，我们利用 Go 语言的交叉编译完成了跨平台镜像的构建。
平台相关的全局变量
关于上面提到的几个全局变量，BuildKit 后端预定义了一组 ARG 全局变量（共 8 个）可供使用，其定义和说明如下：
使用示例如下：
删除 builder
我们已经实现了使用 builder 构建跨平台镜像。如果现在你想要恢复环境，删除新建的 builder。则可以使用 docker buildx rm mybuilder 命令来完成。
跟随 mybuilder 启动的 buildx_buildkit_mybuilder0 容器也会随之被删除。
现在再使用 docker buildx ls 命令查看构建器列表，已经恢复成原来的样子了。
功能清单
除了前文介绍的几个 buildx 常用命令，更多功能可以通过 --help 参数进行查看。
如 stop、rm 可以管理 builder 的生命周期。每条子命令又可以使用 docker buildx COMMAND --help 方式查看使用帮助，感兴趣的同学可以自行学习。
总结
本文讲解了如何使用 buildx 构建跨平台镜像，这也是在 Docker 生态中目前最优的构建方式。
首先介绍了 buildx 是什么，以及如何安装。接下来就进入了构建跨平台镜像的讲解，我们分析了三种跨平台镜像构建策略，并且分别对 QEMU 和 交叉编译两种策略进行了演示。QEMU 策略无需对 Dockerfile 做任何更改，而使用交叉编译方式则需要根据程序的支持来编写 Dockerfile 构建跨平台应用。
最后我们还讲解了如何管理 buildx 的生命周期，以及罗列了 buildx 的功能清单帮助你进一步深入学习。
联系我：
微信：jianghushinian
参考
buildx 仓库地址：https://github.com/docker/buildx
buildx 安装文档：https://docs.docker.com/build/install-buildx/
buildx 文档：https://docs.docker.com/engine/reference/commandline/buildx/
buildx 驱动程序：https://docs.docker.com/build/drivers/
多平台镜像：https://docs.docker.com/build/building/multi-platform/
多阶段构建：https://docs.docker.com/build/building/multi-stage/
buildkit 文档：https://docs.docker.com/build/buildkit/
buildkit 支持的全局可用变量：https://docs.docker.com/engine/reference/builder/#automatic-platform-args-in-the-global-scope
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【江湖十年】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/b506022a7c190cda840eeb78c】。文章转载请联系作者。
野生程序员 2018-11-10 加入
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