什么是容器 docker是怎么實(shí)現(xiàn)的

作為程序員我們應(yīng)怎樣理解docker？

容器技術(shù)的起源

假設(shè)你們公司正在秘密研發(fā)下一個(gè)“今日頭條”APP，我們姑且稱(chēng)為明日頭條，程序員自己從頭到尾搭建了一套環(huán)境開(kāi)始寫(xiě)代碼，寫(xiě)完代碼后程序員要把代碼交給測(cè)試同學(xué)測(cè)試，這時(shí)測(cè)試同學(xué)開(kāi)始從頭到尾搭建這套環(huán)境，測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題程序員也不用擔(dān)心，大可以一臉無(wú)辜的撒嬌，“明明在人家的環(huán)境上可以運(yùn)行的”。

測(cè)試同學(xué)測(cè)完后終于可以上線(xiàn)了，這時(shí)運(yùn)維同學(xué)又要重新從頭到尾搭建這套環(huán)境，費(fèi)了九牛二虎之力搭建好環(huán)境開(kāi)始上線(xiàn)，糟糕，上線(xiàn)系統(tǒng)就崩潰了，這時(shí)心理素質(zhì)好的程序員又可以施展演技了，“明明在人家的環(huán)境上可以運(yùn)行的”。

從整個(gè)過(guò)程可以看到，不但我們重復(fù)搭建了三套環(huán)境還要迫使程序員轉(zhuǎn)行演員浪費(fèi)表演才華，典型的浪費(fèi)時(shí)間和效率，聰明的程序員是永遠(yuǎn)不會(huì)滿(mǎn)足現(xiàn)狀的，因此又到了程序員改變世界的時(shí)候了，容器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

有的同學(xué)可能會(huì)說(shuō)：“等等，先別改變世界，我們有虛擬機(jī)啊，VMware好用的飛起，先搭好一套虛擬機(jī)環(huán)境然后給測(cè)試和運(yùn)維clone出來(lái)不就可以了嗎？”

在沒(méi)有容器技術(shù)之前，這確實(shí)是一個(gè)好辦法，只不過(guò)這個(gè)辦法還沒(méi)有那么好。

先科普一下，現(xiàn)在云計(jì)算其底層的基石就是虛擬機(jī)技術(shù)，云計(jì)算廠商買(mǎi)回來(lái)一堆硬件搭建好數(shù)據(jù)中心后使用虛擬機(jī)技術(shù)就可以將硬件資源進(jìn)行切分了，比如可以切分出100臺(tái)虛擬機(jī)，這樣就可以賣(mài)給很多用戶(hù)了。

你可能會(huì)想這個(gè)辦法為什么不好呢？

容器技術(shù) vs 虛擬機(jī)

我們知道和一個(gè)單純的應(yīng)用程序相比，操作系統(tǒng)是一個(gè)很重而且很笨的程序，簡(jiǎn)稱(chēng)笨重，有多笨重呢？

我們知道操作系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)是需要占用很多資源的，大家對(duì)此肯定深有體會(huì)，剛裝好的系統(tǒng)還什么都沒(méi)有部署，單純的操作系統(tǒng)其磁盤(pán)占用至少幾十G起步，內(nèi)存要幾個(gè)G起步。

假設(shè)我有一臺(tái)機(jī)器，16G內(nèi)存，需要部署三個(gè)應(yīng)用，那么使用虛擬機(jī)技術(shù)可以這樣劃分：

在這臺(tái)機(jī)器上開(kāi)啟三個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)上部署一個(gè)應(yīng)用，其中VM1占用2G內(nèi)存，VM2占用1G內(nèi)存，VM3占用了4G內(nèi)存。

我們可以看到虛擬本身就占據(jù)了總共7G內(nèi)存，因此我們沒(méi)有辦法劃分出更多虛擬機(jī)從而部署更多的應(yīng)用程序，可是我們部署的是應(yīng)用程序，要用的也是應(yīng)用程序而不是操作系統(tǒng)。

如果有一種技術(shù)可以讓我們避免把內(nèi)存浪費(fèi)在“無(wú)用”的操作系統(tǒng)上豈不是太香？這是問(wèn)題一，主要原因在于操作系統(tǒng)太重了。

還有另一個(gè)問(wèn)題，那就是啟動(dòng)時(shí)間問(wèn)題，我們知道操作系統(tǒng)重啟是非常慢的，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)要從頭到尾把該檢測(cè)的都檢測(cè)了該加載的都加載上，這個(gè)過(guò)程非常緩慢，動(dòng)輒數(shù)分鐘，因此操作系統(tǒng)還是太笨了。

那么有沒(méi)有一種技術(shù)可以讓我們獲得虛擬機(jī)的好處又能克服這些缺點(diǎn)從而一舉實(shí)現(xiàn)魚(yú)和熊掌的兼得呢？

答案是肯定的，這就是容器技術(shù)。

什么是容器

容器一詞的英文是container，其實(shí)container還有集裝箱的意思，集裝箱絕對(duì)是商業(yè)史上了不起的一項(xiàng)發(fā)明，大大降低了海洋貿(mào)易運(yùn)輸成本。讓我們來(lái)看看集裝箱的好處：

集裝箱之間相互隔離

長(zhǎng)期反復(fù)使用

快速裝載和卸載

規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，在港口和船上都可以擺放

回到軟件中的容器，其實(shí)容器和集裝箱在概念上是很相似的。

現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)的一大目的就是隔離，應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)相互獨(dú)立互不干擾，這種隔離實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很不容易的，其中一種解決方案就是上面提到的虛擬機(jī)技術(shù)，通過(guò)將應(yīng)用程序部署在不同的虛擬機(jī)中從而實(shí)現(xiàn)隔離。

但是虛擬機(jī)技術(shù)有上述提到的各種缺點(diǎn)，那么容器技術(shù)又怎么樣呢？

與虛擬機(jī)通過(guò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隔離不同，容器技術(shù)只隔離應(yīng)用程序的運(yùn)行時(shí)環(huán)境但容器之間可以共享同一個(gè)操作系統(tǒng)，這里的運(yùn)行時(shí)環(huán)境指的是程序運(yùn)行依賴(lài)的各種庫(kù)以及配置。

從圖中我們可以看到容器更加的輕量級(jí)且占用的資源更少，與操作系統(tǒng)動(dòng)輒幾G的內(nèi)存占用相比，容器技術(shù)只需數(shù)M空間，因此我們可以在同樣規(guī)格的硬件上大量部署容器，這是虛擬機(jī)所不能比擬的，而且不同于操作系統(tǒng)數(shù)分鐘的啟動(dòng)時(shí)間容器幾乎瞬時(shí)啟動(dòng)，容器技術(shù)為打包服務(wù)棧提供了一種更加高效的方式，So cool。

那么我們?cè)撛趺词褂萌萜髂?？這就要講到docker了。

注意，容器是一種通用技術(shù)，docker只是其中的一種實(shí)現(xiàn)。

什么是docker

docker是一個(gè)用Go語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的開(kāi)源項(xiàng)目，可以讓我們方便的創(chuàng)建和使用容器，docker將程序以及程序所有的依賴(lài)都打包到docker container，這樣你的程序可以在任何環(huán)境都會(huì)有一致的表現(xiàn)，這里程序運(yùn)行的依賴(lài)也就是容器就好比集裝箱，容器所處的操作系統(tǒng)環(huán)境就好比貨船或港口，程序的表現(xiàn)只和集裝箱有關(guān)系(容器)，和集裝箱放在哪個(gè)貨船或者哪個(gè)港口(操作系統(tǒng))沒(méi)有關(guān)系。

因此我們可以看到docker可以屏蔽環(huán)境差異，也就是說(shuō)，只要你的程序打包到了docker中，那么無(wú)論運(yùn)行在什么環(huán)境下程序的行為都是一致的，程序員再也無(wú)法施展表演才華了，不會(huì)再有“在我的環(huán)境上可以運(yùn)行”，真正實(shí)現(xiàn)“build once, run everywhere”。

此外docker的另一個(gè)好處就是快速部署，這是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)公司最常見(jiàn)的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)原因在于容器啟動(dòng)速度非常快，另一個(gè)原因在于只要確保一個(gè)容器中的程序正確運(yùn)行，那么你就能確信無(wú)論在生產(chǎn)環(huán)境部署多少都能正確運(yùn)行。

如何使用docker

docker中有這樣幾個(gè)概念：

dockerfile

image

container

實(shí)際上你可以簡(jiǎn)單的把image理解為可執(zhí)行程序，container就是運(yùn)行起來(lái)的進(jìn)程。

那么寫(xiě)程序需要源代碼，那么“寫(xiě)”image就需要dockerfile，dockerfile就是image的源代碼，docker就是"編譯器"。

因此我們只需要在dockerfile中指定需要哪些程序、依賴(lài)什么樣的配置，之后把dockerfile交給“編譯器”docker進(jìn)行“編譯”，也就是docker build命令，生成的可執(zhí)行程序就是image，之后就可以運(yùn)行這個(gè)image了，這就是docker run命令，image運(yùn)行起來(lái)后就是docker container。

具體的使用方法就不再這里贅述了，大家可以參考docker的官方文檔，那里有詳細(xì)的講解。

docker是如何工作的

實(shí)際上docker使用了常見(jiàn)的CS架構(gòu)，也就是client-server模式，docker client負(fù)責(zé)處理用戶(hù)輸入的各種命令，比如docker build、docker run，真正工作的其實(shí)是server，也就是docker demon，值得注意的是，docker client和docker demon可以運(yùn)行在同一臺(tái)機(jī)器上。

接下來(lái)我們用幾個(gè)命令來(lái)講解一下docker的工作流程：

1，docker build

當(dāng)我們寫(xiě)完dockerfile交給docker“編譯”時(shí)使用這個(gè)命令，那么client在接收到請(qǐng)求后轉(zhuǎn)發(fā)給docker daemon，接著docker daemon根據(jù)dockerfile創(chuàng)建出“可執(zhí)行程序”image。

2，docker run

有了“可執(zhí)行程序”image后就可以運(yùn)行程序了，接下來(lái)使用命令docker run，docker daemon接收到該命令后找到具體的image，然后加載到內(nèi)存開(kāi)始執(zhí)行，image執(zhí)行起來(lái)就是所謂的container。

3，docker pull

其實(shí)docker build和docker run是兩個(gè)最核心的命令，會(huì)用這兩個(gè)命令基本上docker就可以用起來(lái)了，剩下的就是一些補(bǔ)充。

那么docker pull是什么意思呢？

我們之前說(shuō)過(guò)，docker中image的概念就類(lèi)似于“可執(zhí)行程序”，我們可以從哪里下載到別人寫(xiě)好的應(yīng)用程序呢？很簡(jiǎn)單，那就是APP Store，即應(yīng)用商店。與之類(lèi)似，既然image也是一種“可執(zhí)行程序”，那么有沒(méi)有"Docker Image Store"呢？答案是肯定的，這就是Docker Hub，docker官方的“應(yīng)用商店”，你可以在這里下載到別人編寫(xiě)好的image，這樣你就不用自己編寫(xiě)dockerfile了。

docker registry 可以用來(lái)存放各種image，公共的可以供任何人下載image的倉(cāng)庫(kù)就是docker Hub。那么該怎么從Docker Hub中下載image呢，就是這里的docker pull命令了。

因此，這個(gè)命令的實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單，那就是用戶(hù)通過(guò)docker client發(fā)送命令，docker daemon接收到命令后向docker registry發(fā)送image下載請(qǐng)求，下載后存放在本地，這樣我們就可以使用image了。

最后，讓我們來(lái)看一下docker的底層實(shí)現(xiàn)。

docker的底層實(shí)現(xiàn)

docker基于Linux內(nèi)核提供這樣幾項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的：

NameSpace

我們知道Linux中的PID、IPC、網(wǎng)絡(luò)等資源是全局的，而NameSpace機(jī)制是一種資源隔離方案，在該機(jī)制下這些資源就不再是全局的了，而是屬于某個(gè)特定的NameSpace，各個(gè)NameSpace下的資源互不干擾，這就使得每個(gè)NameSpace看上去就像一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)一樣，但是只有NameSpace是不夠。

Control groups

雖然有了NameSpace技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)資源隔離，但進(jìn)程還是可以不受控的訪問(wèn)系統(tǒng)資源，比如CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)等，為了控制容器中進(jìn)程對(duì)資源的訪問(wèn)，Docker采用control groups技術(shù)(也就是cgroup)，有了cgroup就可以控制容器中進(jìn)程對(duì)系統(tǒng)資源的消耗了，比如你可以限制某個(gè)容器使用內(nèi)存的上限、可以在哪些CPU上運(yùn)行等等。

有了這兩項(xiàng)技術(shù)，容器看起來(lái)就真的像是獨(dú)立的操作系統(tǒng)了。

總結(jié)

docker是目前非常流行的技術(shù)，很多公司都在生產(chǎn)環(huán)境中使用，但是docker依賴(lài)的底層技術(shù)實(shí)際上很早就已經(jīng)出現(xiàn)了，現(xiàn)在以docker的形式重新煥發(fā)活力，并且能很好的解決面臨的問(wèn)題，希望本文能對(duì)大家理解docker有所幫助。

編輯：黃飛

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