Docker架构及其三要素

1、Docker架构

a、Docker客户端和服务端

  Docker是客户－服务器(C/S)架构的程序。Docker客户端只需向Docker服务器或守护进程发出请求，服务器或守护进程将完成所有工作并返回结果。Docker提供了一个命令行工具docker以及一整套RESTful APICD。你可以在同一台宿主机上运行Docker守护进程和客户端，也可以从本地的Docker客户端连接到运行在另一台宿主机上的远程Docker守护进程。下图描绘了Docker的架构：

b、Docker架构图

c、Docker run 运行流程图

2、Docker三要素

2.1、Docker镜像

  镜像是容器构建的基石，是基于联合文件系统的一种层式结构。由一系列指令构建，是一种轻量级、可执行的独立软件包，用于打包软件运行环境和基于运行环境开发的软件（代码、运行时、库、环境变量和配置文件）。

  联合文件系统(UnionFS)是一种分层、轻量级、高性能的文件系统。它支持对文件系统的修改作为一次提交来一层层的叠加，同时可以将不同目录挂载到同一虚拟文件系统下。Union文件系统是Docker镜像的基础。

  典型的Linux文件系统由bootfs和rootfs两部分组成，bootfs(boot file system)主要包含 bootloader和kernel，bootloader主要是引导加载kernel，当kernel被加载到内存中后 bootfs就被umount了。 rootfs (root file system) 包含的就是典型 Linux 系统中的/dev，/proc，/bin，/etc等标准目录和文件，rootfs就是不同操作系统的发行版。

  Docker容器的文件系统类似于Linux虚拟化栈。Docker镜像是由文件系统叠加而成。最底端是一个引导文件系统，即bootfs, 很像典型的Linux/Unix的引导文件系统。当一个容器启动时，首先加载bootfs用于引导重要文件，当容器启动后，bootfs引导文件系统会被卸载(unmount)。

  传统的Linux引导过程中，root文件系统会最先以只读的方式加载，当引导结束并完成了完整性检查之后，rootfs将会从read-only改为read-write。
Docker的镜像加载时，在bootfs自检完毕之后并不会把rootfs的read-only改为read-write。而是利用联合加载union mount（UnionFS的一种挂载机制）将一个或多个read-only的rootfs加载到之前的read-only的rootfs层之上。在加载了这么多层的rootfs之后，仍然让它看起来只像是一个文件系统，在Docker的体系里把union mount的这些read-only的rootfs叫做Docker的镜像。

  一个镜像可以放到另一个镜像的顶部。位于下面的镜像称为父镜像(parent image), 依次类推，直到镜像栈的最底部，最底部的镜像称为基础镜像( base image)。最后，当从一个镜像启动容器时，Docker会在该镜像的最顶层加载一个读写文件系统。镜像可以通过分层来进行继承，基于基础镜像可以制作各种具体的应用镜像。
  此时的每一层rootfs都是read-only的，在镜像启动容器的最后阶段，Docker会在该镜像的最顶层加载一个读写read-write的rootfs文件系统，我们想在Docker中运行的程序就是在这个读写层中执行的。

  当Docker第一次启动一个容器时，初始的读写层是空的。当文件系统发生变化时，这些变化都会应用到这一层上。比如，如果想修改一个文件，这个文件首先会从该读写层下面的只读层复制到该读写层。该文件的只读版本依然存在，但是已经被读写层中的该文件副本所隐藏。
这种机制被称为写时复制C copy on write), 这也是使Docker如此强大的技术之一。 每个只读镜像层都是只读的，以后永远不会变化。当创建一个新容器时，Docker会构建出一个镜像栈，并在栈的最顶端添加一个读写层。这个读写层再加上其下面的镜像层以及一些配置数据，就构成了一个容器。容器的这种特点加上镜像分层框架( image-layering framework), 使我们可以快速构建镜像并运行包我们自己的应用程序和服务的容器。
docker本地镜像保存在 /var/lib/docker ，容器保存在 /var/lib/docker/containers 。
  总结：Docker镜像（image）就是一个只读的模板。 镜像可以用来创建Docker容器，一个镜像可以创建很多容器。

镜像分层优势

  共享资源：通过引入分层技术，可以增加镜像复用度，减少磁盘占用；同时可以实现差分上传下载，加快镜像pull、push性能。

2.2、Docker容器

  Docker利用容器（container）独立运行的一个或者一组应用。容器是利用镜像创建的运行实例（相对于Java中的类和对象的概念）。容器可以被启动、开始、停止、删除。每个容器都是互相隔离的，保证安全的平台。可以把容器看做是一个简易版的Linux环境 (包括root用户名权限、进程空间、用户空间和网络空间等)和运行在其中的应用程序。
  容器的定义和镜像几乎是一模一样的，也是一堆层的统一视角， 唯一区别的是容器的最上面那一层是可读可写的。
  容器是镜像启动或执行阶段。Docker中的每个容器都包含了一个软件镜像，该镜像可以被创建、启动、关闭、重启和销毁。

2.3、Docker仓库Registry

  仓库（repository）是集中存放镜像文件的场所 。最大的公开仓库是docker hub（ https://hub.docker.com/）， 存放了数量庞大的镜像供用户下载。国内的公开仓库包括阿里云、网易云等。
  Docker Hub中有两种类型的仓库：用户仓库(user repository)和顶层仓库(top-level repository)。用户仓库的镜像都是由Docker用户创建的，而顶层仓库则是由Docker内部的人来管理的。
用户仓库的命名由用户名和仓库名两部分组成，如：jamtur01/puppet。用户名：jamtur01，仓库名：puppet。
顶层仓库只包含仓库名部分，如ubuntu仓库。顶层仓库由Docker公司和由选定的能提供优质基础镜像的厂商（如Fedora团队提供了fedora镜像）管理，用户可以基于这些基础镜像构建自己的镜像。
  仓库(repository)和仓库注册服务器（registry）是有区别的。仓库注册服务器上往往放着很多个仓库，每个仓库中又包含了很多个镜像，每个镜像有不同的标签（tag）。使用示例：仓库名:TAG号。

总结：

  Docker本身是一个容器运行载体或者称之为管理引擎。我们把应用程序和配置依赖打包好形成一个可交付的运行环境，这个打包好的运行环境就叫image镜像文件。 只有通过这个镜像文件才能生成docker容器。image文件可以看做是容器的模板。 Docker根据image文件生成容器的实例。 同一个image文件，可以生成多个同时运行的容器实例。
  a)image文件生成的容器实例，本身也是一个文件，称为镜像文件；
  b)一个容器运行一种服务，当我们需要的时候，就可以通过docker客户端创建一个对应的运行实例，也就是我们的容器；
  c)至于仓库，就是放了一堆镜像的地方，我们可以把镜像发布到仓库中，需要的时候从仓库中拉下来就可以了。