初识 Docker 与容器

什么是 Docker

1、Docker 开源项目背景

Docker 是基于 Go 语言实现的开源容器项目。它诞生于 2013 年年初，最初发起者是 dotCloud 公司。Docker 自开源后受到业界广泛的关注和参与，目前已有 80 多个相关开源组件项目（包括 Containerd、Moby、Swarm 等），逐渐形成了围绕 Docker 容器的完整的生态体系。

Docker 的构想是要实现“Build，Ship and Run Any App，Anywhere”，即通过对应用的封装（Packaging）、分发（Distribution）、部署（Deployment）、运行（Runtime）生命周期进行管理，达到应用组件级别的“一次封装，到处运行”。这里的应用组件，既可以是一个 Web 应用、一个编译环境、也可以是一套数据库平台服务，甚至是一个操作系统或集群。

基于 Linux 平台上的多项开源技术，Docker 提供了高效、敏捷和轻量级的容器方案，并 支持部署到本地环境和多种主流云平台。可以说，Docker 首次为应用的开发、运行和部署提供了“一站式”的实用解决方案。

现在主流的操作系统包括 Linux 各大发行版、macOS、Windows 等都已经支持 Docker。

2、Linux 容器技术---巨人的肩膀

与大部分新兴技术的诞生一样，Docker 也并非“从石头缝里蹦出来的”，而是站 在前人的肩膀上。其中最重要的就是 Linux 容器（Linux Containers，LXC）技术。IBM DeveloperWorks 网站关于容器技术的描述十分准确：“容器有效地将由单个操作系统管理的资源划分到孤立的组中，以更好地在孤立的组之间平衡有冰突的资源使用需求。与虚拟化相比，这样既不需要指令级模拟，也不需要即时编译。容器可以在核心 CPU 本地运行指令，而不需要任何专门的解释机制。此外，也避免了准虚拟化（para-virtualization）和系统调用替换中的复杂性。“

当然，LXC 也经历了长期的演化。最早的容器技术可以追溯到 1982 年 Unix 系列操作 系统上的 chroot 工具（直到今天，主流的 Unix、Linux 操作系统仍然支持和带有该工具）。

在 LXC 之前，这些相关技术经过多年的演化已经十分成熟和稳定，但是由于种种原因，它们并没有被很好地集成到主流的 Linux 内核中，使用起来并不方便。

后来 LXC 项目借鉴了前人成熟的容器设计理念，并基于一系列新引入的内核特性，实现了更具扩展性的虚拟化容器方案。更加关键的是，LXC 终于被集成到到主流 Linux 内核中，进而成为 Linux 系统轻量级容器技术的事实标准。从技术层面来看，LXC 已经趟过了绝大部分的“坑”，完成了容器技术实用化的大半历程。

3、从 Linux 容器到 Docker

在 LXC 的基础上，Docker 进一步优化了容器的使用体验，让它进人寻常百姓家。首先，Docker 提供了各种容器管理工具（如分发、版本、移植等），让用户无须关注底层的操作，更加简单明了地管理和使用容器：其次，Docker 通过引入分层文件系统构建和高效的镜像机制，降低了迁移难度，极大地改善了用户体验。用户操作 Docker 容器就像操作应用自身一样简单。

简单地讲，可以将 Docker 容器理解为一种轻量级的沙盒（sandbox）。每个容器内运行着一个应用，不同的容器相互隔离、容器之间也可以通过网络互相通信。容器的创建和停止十分快速，几乎路创建和终止原生应用一致：另外，容器自身对系统资源的额外需求也十分有限，远远低于传统虚拟机。很多时候，甚至直接把容器当作应用本身也没有任何问题。

相信随着 Docker 技术的进一步成熟，它将成为更受欢迎的容器虚拟化技术实现，并在云计算和 DevOps 等领域得到更广泛的应用。

为什么要使用 Docker

1、Docker 容器虚拟化的好处

Docker 项目的发起人、Docker 公司 CTO Solomon Hykes 认为，Docker 在正确的地点、正确的时间顺应了正确的趋势---如何正确地构建应用。

在云时代，开发者创建的应用必须要能很方便地在网络上传播，也就是说应用必须脱离底层物理硬件的限制；同时必须是“任何时间任何地点”可获取的。因此，开发者们需要一种新型的创建分布式应用程序的方式，快速分发和部署，而这正是 Docker 所能够提供的最大优势。

举个简单的例子，假设用户试图基于最常见的 LAMP（Linux+Apache+MySQL+PHP）组合来构建网站。按照传统的做法，首先需要安装 Apache、MySQL 和 PHP 以及它们各自运行所依赖的环境；之后分别对它们进行配置（包括创建合适的用户、配置参数等）；经过大量的操作后，还需要进行功能测试，看是否工作正常；如果不正常，则进行调试追踪，意味着更多的时间代价和不可控的风险。可以想象，如果应用数目变多，事情会变得更加难以 处理。

更为可怕的是，一旦需要服务器迁移（例如从亚马逊云迁移到其他云），往往需要对每个应用都进行重新部署和调试。这些琐碎而无趣的“体力活”，极大地降低了用户的工作效率。究其根源，是这些应用直接运行在底层操作系统上，无法保证同一份应用在不同的环境中行为一致。

而 Docker 提供了一种更为聪明的方式，通过容器来打包应用、解耦应用和运行平台。这意昧着迁移的时候，只需要在新的服务器上启动需要的容器就可以了，无论新旧服务器是否是同一类型的平台。这无疑将帮助我们节约大量的宝贵时间，并降低部署过程出现问题的风险。

2、Docker 在开发和运维中的优势

对开发和运维（DevOps）人员来说，最梦寐以求的效果可能就是一次创建或配置，之后可以在任意地方、任意时间让应用正常运行，而 Docker 恰恰是可以实现这一终极目标的“瑞士军刀”。具体说来，在开发和运维过程中，Docker 具有如下几个方面的优势：

• 更快速的交付和部署。使用 Docker，开发人员可以使用镜像来快速构建一套标准的开发环境：开发完成之后，测试和运维人员可以直接使用完全相同的环境来部署代码。只要是开发测试过的代码，就可以确保在生产环境无缝运行。Docker可以快速创建和删除容器，实现快速迭代，节约开发、测试、部署的大量时间。并且，整个过程全程可见，使团队更容易理解应用的创建和工作过程。

• 更高效的资源利用。运行 Docker 容器不需要额外的虚拟化管理程序（Virtual Machine Manager，VMM，以及 Hypervisor）的支持，Docker 是内核级的虚拟化，可以实现更高的性能，同时对资源的频外需求很低。与传统虚拟机方式相比，Docker 的性能要提高 1-2 个数量级。

• 更轻松的迁移和扩展。Docker 容器几乎可以在任意的平台上运行，包挠物理机、虚拟机、公有云、私有云、个人电脑、服务器等，同时支持主流的操作系统发行版本。这种兼容性让用户可以在不同平台之间轻松地迁移应用。

• 更简单的更新管理。使用 Dockerfile，只需要小小的配置修政，就可以替代以往大量的更新工作。所有修改都以增量的方式被分发和更新，从而实现自动化并且高效的容器管理。

3、Docker 与虚拟机比较

作为一种轻量级的虚拟化方式，Docker 在运行应用上跟传统的虚拟机方式相比具有如下显著优势：

• Docker 容器很快，启动和停止可以在秒级实现，这相比传统的虚拟机方式（数分钟）要快得多；

• Docker 容器对系统资源需求很少，一台主机上可以同时运行数千个 Docker 容器（在 IBM 服务器上已经实现了同时运行 10K 量级的容器实例）；

• Docker 通过类似 Git 设计理念的操作来方便用户获取、分发和更新应用镜像，存储复用，增量更新；

• Docker 通过 Dockerfile 支持灵活的自动化创建和部署机制，以提高工作效率，并标准化流程。

Docker 容器除了运行其中的应用外，基本不消耗额外的系统资源，在保证应用性能的同时，尽量减小系统开销。传统虚拟机方式运行 N 个不同的应用就要启用 N 个虚拟机（每个虚拟机需要单狡分配独占的内存、磁盘等资源），而 Docker 只需要启动 N 个隔离得“很薄的”容器，并将应用放进容器内即可。应用获得的是接近原生的运行性能。

当然，在隔离性方面，传统的虚拟机方式提供的是相对封闭的隔离。但这并不意味着 Docker 不安全。Docker 利用 Linux 系统上的多种防护技术实现了严格的隔离可靠性，并目可以整合众多安全工具。从 1.3.0 版本开始，Docker 重点改善了容器的安全控制和镜像的安全机制，极大地提高了使用 Docker 的安全性。在已知的大规模应用中，目前尚未出现值得担忧的安全隐患。

下表比较了使用 Docker 容器技术与传统虚拟机技术的各种特性，可见容器技术在很多应用场景下都具有巨大的优势。

表 1-1 Docker 容器技术与传统虚拟机技术的比较

特性	容器	虚拟机
启动速度	秒级	分钟级
性能	接近原生	较弱
内存代价	很小	较多
硬盘使用	一般为 MB	一般为 GB
运行密度	单机支持上千个容器	一般几十个
隔离性	安全隔离	完全隔离
迁移性	优秀	一般

Docker 与虚拟化

虚拟化（virtualization）技术是一个通用的概念，在不同领域有不同的理解。在计算领域，一般指的是计算虚拟化（computing virtualization），或通常说的服务器虚拟化。维基百科上的定义如下：

“在计算机技术中，虚拟化是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资 源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以用比原本的组态更好的方式来应用这些资源。“

可见，虚拟化的核心是对资源的抽象，目标往往是为了在同一个主机上同时运行多个系统或应用，从而提高系统资源的利用率，并丁带来降低成本、方便管理和容错容灾等好处。

从大类上分，虚拟化技术可分为基于硬件的虚拟化和基于软件的虚拟化。其中，真正意义上的基于硬件的虚拟化技术不多见，基于软件的虚拟化从对象所在的层次，又可以分为应用虚拟化和平台虚拟化（通常说的虚拟机技术即属于这个范畴）。前者一般指的是一些模拟设备或诸如 Wine 这样的软件，后者又可以细分为几个子类：

• 完全虚拟化。虑拟机模拟完整的底层硬件环境和特权指令的执行过程，客户操作系统无须进行修改。例如 IBM p 和 z 系列的康拟化、VMware Workstation、VirtualBox、QEMU 等；

• 硬件辅助虚拟化。利用硬件（主要是 CPU）辅助支持（目前 x86 体系结构上可用的硬件辅助虚拟化技术包括 Intel-VT 和 AMD-V）处理敏感指令来实现完全虚拟化的功能，客户操作系统无须修政，例如 VMware Workstation，Xen，KVM；

• 部分虚拟化。只针对部分硬件资源进行虚拟化，客户操作系统需要进行修改。现在有些虚拟化技术的早期版本仅支持部分虚拟化；

• 超虚拟化（paravirtualization）。部分硬件接口以软件的形式提供给客户机操作系统，客户操作系统需要进行修改，例如早期的 Xen；

• 操作系统级虚拟化。内核通过创建多个虚拟的操作系统实例（内核和库）来隔离不同的进程。容器相关技术即在这个范畴。

可见，Docker 以及其他容器技术都属于操作系统虚拟化这个范畴，操作系统虚拟化最大的特点就是不需要额外的 supervisor 支持。Docker 虚拟化方式之所以有众多优势，跟操作系统虚拟化技术自身的设计和实现是分不开的。

下图比较了 Docker 和常见的虚拉机方式的不同之处。

图 1-1 Docker 和传统的虚拟化方式的不同之处

传统方式是在硬件层面实现虚拟化，需要有额外的虎拟机管理应用和虚拟机操作系统层。Docker 容器是在操作系统层面上实现虚拟化，直接复用本地主机的操作系统，因此更加轻量级。

小结

介绍了容器虚拟化的基本概念、Docker 的诞生历史，以及容器在云时代应用分发场景下的巨大优势。

与传统的虚拟机方式相比，容器虚拟化方式在很多场景下都存在极为明显的优势。无论是系统管理员、应用开发人员、测试人员，还是运维管理人员，都应该尽快掌握 Docker，尽早享受其带来的巨大便利。