Docker｜了解容器镜像层(2)

引言

容器非常神奇。它们允许简单的进程表现得像虚拟机。在这种优雅的底层是一组模式和实践，最终使一切运作起来。在设计的根本是层。层是存储和分发容器化文件系统内容的基本方式。这种设计既出人意料地简单，同时又非常强大。在今天的帖子^[1]中，我将解释什么是层以及它们的概念性工作原理。

Snapshots

在容器可以运行之前，它需要一个文件系统来挂载。本质上，它需要一个目录，其中包含所有需要可用的文件。压缩的层文件包含文件系统的组成部分，但它们不能直接挂载和使用。相反，它们需要被解压并组织成一个文件系统。这个解压后的目录被称为快照(snapshots)。

创建快照的过程与构建镜像相反。它首先通过下载清单并构建一个要下载的层列表开始。对于每个层，会创建一个包含层父目录内容的目录。这个目录被称为活动快照。接下来，差异应用器负责解压压缩的层文件，并将更改应用到活动快照上。生成的目录随后被称为提交快照。最终的提交快照是作为容器文件系统挂载的那一个。

使用我们之前的例子：

1. 初始层，FROM scratch，意味着我们可以从下一层和一个空目录开始。没有父层。
2. 创建了一个 layer2 的目录。这个空目录现在是一个活动快照。文件 layer2.tar.gz 被下载、验证（通过比较摘要和文件名），并解压到目录中。结果是包含 /work/message.txt 的目录。这是第一个提交快照。
3. 创建了一个 layer3 的目录，并将 layer2 的内容复制进去。这是一个新的活动快照。文件 layer3.tar.gz 被下载、验证并解压。结果是包含 /work/message.txt 和 /work/content.txt 的目录。现在这是第二个提交快照。
4. 创建了一个 layer4 的目录，并将 layer3 的内容复制进去。文件 layer4.tar.gz 被下载、验证并解压。差异应用器识别到 whiteout 文件，/work/.wh.message.txt，并删除 /work/message.txt。这只剩下 /work/content.txt。这是第三个提交快照。
5. 由于 layer4 是最后一层，它是容器的基础。为了使其能够支持读写操作，创建了一个新的快照目录，并将 layer4 的内容复制进去。这个目录被挂载为容器的文件系统。运行中的容器所做的任何更改都将发生在这个目录中。

如果这些目录中的任何一个已经存在，这表明另一个镜像有相同的依赖关系。因此，引擎可以跳过下载和差异应用器。它可以直接使用该层。在实践中，这些目录和文件的命名都是基于内容的摘要，以便于识别。例如，一组快照可能看起来像这样：

/var/path/to/snapshots/blobs
└─ sha256
   ├─ 635944d2044d0a54d01385271ebe96ec18b26791eb8b85790974da36a452cc5c
   ├─ 9de59f6b211510bd59d745a5e49d7aa0db263deedc822005ed388f8d55227fc1
   ├─ fb0624e7b7cb9c912f952dd30833fb2fe1109ffdbcc80d995781f47bd1b4017f
   └─ fb124ec4f943662ecf7aac45a43b096d316f1a6833548ec802226c7b406154e9

实际的快照系统支持插件，这些插件可以改善一些这些行为。例如，它允许快照预先组合和解压，加快了这一过程。这允许快照被存储在远程位置。它还允许进行特殊优化，比如按需下载所需的文件和层。

Overlays

虽然挂载起来很容易，但我们刚刚描述的快照方法会产生大量的文件变动和许多重复文件。这会减慢第一次启动容器的过程，并浪费空间。幸运的是，这是容器化过程中可以由文件系统处理的众多方面之一。Linux 原生支持将目录作为覆盖层挂载，为我们实现了大部分过程。

在 Linux 中（或者以 --privileged 或 --cap-add=SYS_ADMIN 运行的 Linux 容器中）：

1. 创建 tmpfs 挂载（基于内存的文件系统，将用于探索覆盖过程）

mkdir /tmp/overlay
mount -t tmpfs tmpfs /tmp/overlay

2. 为我们的流程创建目录。我们将使用 lower 作为下（父）层，使用 upper 作为上（子）层，作为文件系统的工作目录，并合并以包含合并的文件系统。

mkdir /tmp/overlay/{lower,upper,work,merged}

3. 为实验创建一些文件。或者，您也可以在 upper 中添加文件。

cd /tmp/overlay
echo hello > lower/hello.txt
echo "I'm only here for a moment" > lower/delete-me.txt
echo message > upper/upper-message.txt

4. 将这些目录安装为覆盖类型文件系统。这将在合并目录中创建一个新的文件系统，其中包含下层目录和上层目录的组合内容。工作目录将用于跟踪文件系统的更改。

mount -t overlay overlay -o lowerdir=lower,upperdir=upper,workdir=work merged

5. 探索文件系统。您会注意到 merged 包含 upper 和 lower 的组合内容。然后，进行一些更改：

rm -rf merged/delete-me.txt
echo "I'm new" > merged/new.txt
echo world >> merged/hello.txt

6. 正如预期的那样，delete-me.txt 将从合并中删除，并在同一目录中创建一个新文件 new.txt。如果你对目录进行树化，你会看到一些有趣的东西：

|-- lower
|   |-- delete-me.txt
|   `-- hello.txt
|-- merged
|   |-- hello.txt
|   |-- new.txt
|   `-- upper-message.txt
|-- upper
|   |-- delete-me.txt
|   |-- hello.txt
|   |-- new.txt
|   `-- upper-message.txt

运行 ls -l upper 显示

total 12
c--------- 2 root root 0, 0 Jan 20 00:17 delete-me.txt
-rw-r--r-- 1 root root   12 Jan 20 00:20 hello.txt
-rw-r--r-- 1 root root    8 Jan 20 00:17 new.txt
-rw-r--r-- 1 root root    8 Jan 20 00:17 upper-message.txt

虽然合并显示了我们更改的效果，上层（作为父层）存储更改的方式与我们手册过程中的例子类似。它包含了新文件 new.txt 和修改过的 hello.txt。它还创建了一个 whiteout 文件。对于覆盖文件系统来说，这涉及到用一个字符设备（和一个 0, 0 设备号）替换文件。简而言之，它拥有我们打包目录所需的一切！

你可以看到这种方法也可以用来实现快照系统。挂载命令可以原生地接受一个冒号 (:) 分隔的 lowerdir 路径列表，所有这些路径都被合并到一个单一的文件系统中。这是现代容器的本质——容器是使用操作系统的原生特性组合而成的。