Docker系列：Docker容器化技术介绍及实战应用

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

Docker是一种轻量级虚拟化技术，用于构建、分发和运行应用程序。Docker利用容器技术将应用程序打包成标准的镜像文件，然后可以随时创建和部署任意数量的容器实例，而无需关心底层基础设施（比如网络设置，磁盘存储等）。通过容器化可以让开发人员在同一个操作系统上部署和运行多个应用程序，从而降低资源开销并提升效率。 Docker可以在企业内部云或公共云中帮助开发者快速交付软件，降低 IT 服务提供商的支出。
为了更好地理解Docker，本文首先介绍Docker的基本概念和术语。然后讲解核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式的讲解。接着对具体的代码实例进行解析和说明。最后给出未来的发展趋势与挑战。最后还会结合实际案例，展现如何实践Docker技术。

2.基本概念与术语

2.1 Docker

• Docker是什么？
  Docker是一个开源的软件，它让用户可以打包、分发和运行应用程序，即软件容器。容器是指独立运行的一个或者一组应用。它使得应用与环境之间产生隔离性，因此对于不同的应用甚至相同的应用可以放置到不同的容器中运行，从而达到资源和性能上的最优化。
• Docker架构图
  Docker的架构如上图所示，Docker包括三个基本组件。

1. Docker客户端(Client): 用户访问Docker后台管理服务器的命令行工具或UI界面。
2. Docker引擎(Engine): Docker后台管理服务器，负责整个容器集群的调度和编排工作。
3. Docker仓库(Registry): Docker用来保存镜像文件的地方。Docker Hub和国内的一些公有云厂商都提供了类似的服务，用户可直接从里面下载自己需要的镜像。

2.2 基本概念

2.2.1 镜像(Image)

• 镜像(Image)是Docker中最小的执行单位。一旦创建了镜像，就可以生成一个容器实例。镜像就是一组只读的指令集合，包括软件、库、配置、环境变量和元数据。
• 镜像的作用:
  • 可以用来创建容器
  • 可以用来分发容器
  • 可以作为源代码、数据库备份等制品的形式存在

2.2.2 容器(Container)

• 容器(Container)是镜像的运行实例。
• 容器就是镜像的动态运行态。当容器被创建后，它就像一个独立的宿主机，并且拥有自己的文件系统、内存、CPU、网络等资源。
• 每个容器都是相互隔离的、孤立的进程空间。因此一个容器不会影响其他容器，也不会被其他容器影响。容器提供了封装、隔离和安全的最佳方式。
• 如果多个容器共享同一个镜像，那么它们之间的文件系统也是相互隔离的。所以，一个容器崩溃不会影响另一个容器。

2.2.3 Dockerfile

• Dockerfile是一个文本文档，包含一条条的指令来告诉Docker怎么构建镜像。它非常简单易懂，通常用于自动化构建镜像。
• Dockerfile由四部分构成:
  1. FROM: 指定基础镜像
  2. RUN: 执行命令
  3. COPY: 拷贝文件
  4. ENTRYPOINT: 设置容器启动时的默认执行命令
  5. VOLUME: 创建挂载点

FROM ubuntu:latest 
RUN apt update && \
  apt install nginx && \
  mkdir /var/www/html
COPY  /var/www/html/
EXPOSE 80
ENTRYPOINT ["nginx"]
CMD ["/etc/nginx/"]

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2.3 操作系统层面的虚拟化

传统的操作系统虚拟化方法主要有两种：裸金属虚拟机和基于虚拟化平台的虚拟机。

1. 裸金属虚拟机(Bare Metal Virtual Machine, BMV)
   BMV基于硬件强制独占的方式，完全实现了一个完整的操作系统。比如Xen、KVM和VirtualBox等。典型的应用场景是服务端虚拟化。
2. 基于虚拟化平台的虚拟机(Hypervisor-based Virtual Machine, HVM)
   在HVM中，操作系统使用宿主操作系统提供的接口，虚拟化硬件成为“平台”，所有操作系统都跑在平台上。典型的应用场景是桌面虚拟化和移动设备虚拟化。
   Docker利用Linux的cgroups、namespaces和AUFS特性来做操作系统层面的虚拟化。其中cgroup用于资源隔离，namespace用于创建独立的网络、文件系统、进程树，AUFS用于文件系统的联合挂载。
   如上图所示，Docker的主要优点如下：

• 轻量级虚拟化：Docker利用容器技术实现应用间的资源隔离，因此能够快速启动、停止和复制容器，节省资源开销。
• 可移植性：Docker可以很方便地迁移到任何基于Linux的平台上，并保证一致的运行结果。
• 更加便利的沙箱环境：Docker提供了一个统一的沙箱环境，开发者可以轻松打包、测试和发布应用程序，而不需要担心配置依赖关系。
• 跨平台支持：Docker已经支持多种类型的操作系统，如Linux、Windows和MacOS等，可以很方便地移植到不同平台上。

3. Docker核心算法原理和操作步骤

3.1 联合文件系统(Union FS)

联合文件系统是一种最初的虚拟化技术，它允许多个文件系统整合成一个层次结构，形成一个单一的虚拟文件系统。所有的更新都集中在顶层，而底层则保持不变。由于联合文件系统高效，因此使用它来实现容器文件系统十分常见。
联合文件系统通过在镜像和容器之上建立一个分层结构，将不同层的文件系统合并为一个统一的文件系统，并最终呈现给用户。在这个文件系统中，只有发生改动的文件才会写入存储介质。
联合文件系统的优点是高度抽象，使得开发者可以忽略底层的复杂性，只关注于应用逻辑。同时，它能很好的处理硬件资源的限制。

3.2 Namespace技术

Namespace 是 Linux 操作系统中的一个功能，它提供了一种机制，用来将系统中的资源（例如：PID 命名空间、NET 命名空间）以隔离的形式在不同命名空间中存在。每个容器都有一个自己的命名空间，它包括了一组PID，Mount，UTS，IPC等映射表，这些表记录了各自视图中的对象，使得一个视图中的对象看不到另外一个视图中的对象。换句话说，就是一个容器拥有自己的PID名称空间、挂载名称空间、用户和主机名名称空间、通信通道名称空间等。
当创建一个新的容器时，Docker Daemon为该容器创建一组命名空间。在该容器里运行的所有进程都会受到影响，因此它们将具有不同的视图。这些视图使得容器内的进程无法看到或影响到其他容器或系统进程。
此外，还可以通过命令行工具或API来控制容器的生命周期，诸如创建、启动、暂停、停止等。

3.3 Control groups

控制组 (Control Groups，CG) 是 Linux 内核功能，是一种将任务组建成一个整体的机制，以便对任务进行动态调整和资源分配。它为容器、进程组、以及其他后台任务提供一个统一的视图，并允许管理员精细地控制资源分配。
使用控制组时，系统会计算资源需求并根据设定的策略自动分配 CPU 和内存资源。容器的资源使用情况由控制器来监控，如果超出了限额，控制器就会采取必要措施（比如杀死进程或限制其资源使用），确保容器的稳定运行。
在容器中运行的进程会出现在一组进程控制表 (Process Control Table，PCT) 中，而控制组定义了这些进程的资源配额和优先级。容器的资源配额可以按照总量或比例分配，还可以针对特定的任务指定优先级。

3.4 容器格式

容器格式是指容器运行时使用的格式，如 OCI (Open Container Initiative)，它定义了容器的抽象模型，并定义了在不同运行时实现容器所需的一组规范。目前，Docker 使用的是 OCI 容器格式。
OCI 容器格式具有以下几个主要属性：

• 文件系统层: OCI 定义了标准的根文件系统布局。在这种布局下，容器可以继承全局的包管理器、开发工具和配置，并只安装有必要的二进制文件和库。
• 镜像层: OCI 镜像中包含多个层，每一层都是一个只读层，用镜像层可以实现层共享和增量传输，从而提高了应用的启动速度。
• 资源约束: OCI 为容器定义了资源约束，包括 CPU、内存、存储等。这使得容器能够以更细粒度的粒度来进行隔离，并且能够动态分配资源。
• 签名验证: OCI 支持签名验证，使得开发者可以验证容器的完整性和真实性。通过签名验证，可以防止恶意软件的滥用。

4. Docker的具体代码实例及解释说明

4.1 Dockerfile

Dockerfile是Docker用来构建镜像的脚本文件。它包含了一条条的指令，告诉Docker怎样构建镜像。你可以在Dockerfile中使用任何合法的命令，包括RUN、ADD、WORKDIR、CMD、ENV等。
常用的Dockerfile指令如下：

• FROM: 基础镜像。一般情况下，应该选择一个小的基础镜像，这样减少了镜像大小，提高了启动速度。
• MAINTAINER: 指定镜像维护者的信息。
• RUN: 在当前镜像层运行指定的命令。
• CMD: 指定一个容器启动时要运行的命令，也可以被docker run 命令的参数覆盖。
• WORKDIR: 指定一个容器的工作目录，当指定了该指令后，CMD、RUN、ADD等命令的路径都会以该目录为基准。
• VOLUME: 定义一个可以从外部访问的卷。
• EXPOSE: 暴露端口。
• COPY: 从本地复制文件到镜像中。
• ENTRYPOINT: 指定一个容器启动时要运行的命令，不可被docker run 命令参数覆盖，而且同一镜像可以有多个入口点。
• ENV: 设置环境变量。
  示例Dockerfile:

# Use an official Python runtime as a parent image
FROM python:2.7-slim
# Set the working directory to /app
WORKDIR /app
# Copy the current directory contents into the container at /app
COPY. /app
# Install any needed packages specified in 
RUN pip install --trusted-host  -r 
# Define environment variable
ENV NAME World
# Expose port 80
EXPOSE 80
# Run  when the container launches
CMD ["python", ""]

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4.2 安装Docker

• Windows
  如果你正在使用 Windows 系统，你可以在官网找到适合你的安装程序。下载后双击运行即可安装。
• macOS
  如果你正在使用 macOS 系统，你可以打开终端，输入以下命令安装 Docker CE：

curl -fsSL /mac/stable/ | hdiutil mount -mountpoint /tmp/d -nobrowse
open /tmp/d/Applications/

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然后在应用文件夹中，打开 Docker 来完成安装。

• Linux
  如果你正在使用 Linux 发行版，你可以参考官网的安装指南来安装 Docker CE。

4.3 配置Docker

打开 Docker Desktop 后，点击左上角的 Docker 图标，然后点击Preferences(偏好设置)，修改相关设置。比如将界面语言切换为中文，调整 CPU 和内存的分配，开启 experimental features 等。

4.4 启动容器

打开终端，输入以下命令运行一个 hello world 容器：

docker run hello-world

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如果 Docker 成功运行 hello-world 镜像，你将看到以下信息：

Hello from Docker!
This message shows that your installation appears to be working correctly.
To generate this message, Docker took the following steps:
1. The Docker client contacted the Docker daemon.
2. The Docker daemon pulled the "hello-world" image from the Docker Hub.
3. The Docker daemon created a new container from that image which runs the executable that produces the output you are currently reading.
4. The Docker daemon streamed that output to the Docker client, which sent it to your terminal.
To try something more ambitious, you can run an Ubuntu container with:
$ docker run -it ubuntu bash
Share images, automate workflows, and more with a free Docker ID:
/
For more examples and ideas, visit:
/get-started/

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4.5 操作容器

4.5.1 查看正在运行的容器

使用以下命令可以列出当前正在运行的容器：

docker ps

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输出示例：

CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
b7a9e45fffa4        hello-world         "/hello"            2 minutes ago       Up 2 minutes                            gracious_bell

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4.5.2 查看所有容器

使用以下命令可以列出所有容器（包括停止的容器）：

docker ps -a

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输出示例：

CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND                  CREATED             STATUS                      PORTS                     NAMES
b7a9e45fffa4        hello-world         "/hello"                 2 hours ago         Up About a minute           0.0.0.0:32770->80/tcp      gracious_bell
40fe91eb73c6        redis               "docker-entrypoint..."   5 days ago          Up 5 days                   0.0.0.0:6379->6379/tcp     myredis

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4.5.3 获取容器日志

可以使用以下命令获取容器的日志：

docker logs <container name or id>

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例如：

docker logs b7a9e45fffa4

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输出示例：

Hello from Docker!
This message shows that your installation appears to be working correctly.
To generate this message, Docker took the following steps:
1. The Docker client contacted the Docker daemon.
2. The Docker daemon pulled the "hello-world" image from the Docker Hub.
3. The Docker daemon created a new container from that image which runs the executable that produces the output you are currently reading.
4. The Docker daemon streamed that output to the Docker client, which sent it to your terminal.
To try something more ambitious, you can run an Ubuntu container with:
$ docker run -it ubuntu bash
Share images, automate workflows, and more with a free Docker ID:
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For more examples and ideas, visit:
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4.5.4 启动容器

使用以下命令可以启动某个容器：

docker start <container name or id>

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例如：

docker start b7a9e45fffa4

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4.5.5 停止容器

使用以下命令可以停止某个容器：

docker stop <container name or id>

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例如：

docker stop b7a9e45fffa4

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4.5.6 删除容器

使用以下命令可以删除某个已经停止的容器：

docker rm <container name or id>

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例如：

docker rm b7a9e45fffa4

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4.5.7 连接到容器

使用以下命令可以连接到某个正在运行的容器：

docker attach <container name or id>

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例如：

docker attach b7a9e45fffa4

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退出容器的方法是按组合键 <Ctrl> + p + q> 。

5. 未来发展趋势与挑战

Docker是容器化技术的新宠，近年来越来越火爆，大家纷纷开始学习和使用。但是，Docker仍然处于起步阶段，它的应用范围还比较局限。下面是一些Docker的未来发展方向和挑战。

5.1 微服务架构

微服务架构模式正在推广。微服务架构允许系统通过模块化的小型服务来构建。每个服务运行在独立的进程中，因此微服务架构能更好的适应业务变化，并让开发团队和 DevOps 团队更容易协作。
虽然 Docker 有助于实现微服务架构，但还需要探索微服务架构带来的挑战。比如，如何在容器中运行微服务，如何在 Kubernetes 或其他编排框架上部署微服务，以及如何向微服务架构迁移已有的应用程序。

5.2 Serverless架构

Serverless架构也处于蓬勃发展阶段。Serverless架构的目标是在云计算平台上运行应用程序，而无需考虑底层基础设施。开发者只需要编写核心应用逻辑，并支付由云供应商管理的服务器资源费用。Serverless架构显著的降低了运维成本，让更多的开发者参与到应用开发过程中。
虽然 Docker 在实现 Serverless 时有帮助，但还需要探索其在微服务架构和 Serverless 架构方面的挑战。比如，如何更有效的部署 Serverless 应用，如何管理 Serverless 应用的状态，以及如何对 Serverless 应用进行弹性伸缩。

5.3 AI和机器学习

人工智能和机器学习正蓬勃发展。通过 Docker 技术，可以打包、分发和运行 AI 模型。通过 Docker Swarm 或者 Kubernetes 等编排框架，可以更好的管理和部署 AI 模型。
虽然 Docker 有助于实现 AI，但还是需要探索 AI 在微服务架构、Serverless架构和机器学习方面的挑战。比如，如何在 Kubernetes 上运行机器学习模型，如何分布式训练机器学习模型，以及如何实时更新 AI 模型。

5.4 边缘计算

边缘计算正在成为一种趋势。边缘计算的目标是将工作负载从中心位置卸载到靠近数据的位置。Docker 在边缘计算领域也扮演重要角色。Docker 容器可以部署到边缘节点，无需考虑底层基础设施，并可以运行时触发事件驱动的计算任务。
虽然 Docker 在实现边缘计算时有帮助，但还需要探索其在微服务架构、Serverless架构、机器学习和边缘计算方面的挑战。比如，如何部署边缘计算应用，如何管理边缘计算应用的状态，以及如何实时响应事件。

6. 实际案例实践

6.1 自动化部署应用

假设你是一个 Web 开发人员，你需要部署一个新的 Web 应用。你已经准备好了 Dockerfile 文件，并用它来构建镜像。现在需要自动化部署应用。你可能会采用以下几种方式：

• Jenkins: Jenkins 是一款开源的自动化服务器，它可以构建、测试、发布软件。你可以使用 Jenkins 提供的插件来部署 Docker 镜像。
• Ansible: Ansible 是一款自动化服务器配置、部署、升级的开源工具。你可以使用 Ansible 通过 SSH 远程管理 Docker 主机，并使用 Docker API 来构建、推送、拉取和运行镜像。
• AWS CodeDeploy: AWS CodeDeploy 是一款可以部署应用的服务。它支持多种部署方式，包括蓝绿发布、滚动发布和蓝/绿色/灰度发布等。
• Docker Hub Automated Builds: Docker Hub 的 Automated Build 功能可以自动化构建、测试、部署镜像。只需要在 Docker Hub 上创建一个仓库，并配置 webhook，每次推送代码到 Github 上时，Docker Hub 会自动构建、测试、部署镜像。
  总之，无论采用哪种自动化部署方式，你都需要预先准备好 Dockerfile 文件，并在持续集成服务器上运行部署脚本。

6.2 运行分布式应用

假设你是一个机器学习研究员，你开发了一个基于 TensorFlow 的深度学习模型。你需要运行这个模型并扩展到许多节点上。你可能会采用以下几种方式：

• Apache Hadoop YARN: Apache Hadoop YARN 是 Hadoop 生态系统的重要组成部分。它是一个资源管理器，可以启动和管理分布式应用。你可以把你的 TensorFlow 模型部署到 YARN 上，并扩展到许多节点。
• Amazon Elastic Compute Cloud (EC2): EC2 是 Amazon Web Services 中的一项服务，提供云服务器。你可以购买一台或多台 EC2 实例，并配置 Docker 来运行你的 TensorFlow 模型。
• Google Kubernetes Engine (GKE): GKE 是 Google Cloud Platform 中的一项服务，提供托管的 Kubernetes 集群。你可以使用 GKE 建立一个 Kubernetes 集群，并配置 Docker 来运行你的 TensorFlow 模型。
  总之，无论采用何种运行环境，你都需要准备好模型，在运行环境中启动一个 master 节点，以及运行 TensorFlow 分布式训练脚本。