```{eval-rst}
.. include:: ../../sumaccess.rst
```

# Docker核心概念

概括起来，Docker容器技术有3个核心概念： *容器* （Container）、*镜像*（Image） 和 *镜像仓库* （Docker Registry）。如果把容器类比为动态的、有生命周期的进程，则镜像就像是静态的可执行程序及其运行环境的打包文件， 而镜像仓库则可想象成应用程序分发仓库，事先存储了制作好的各类镜像文件。

运行Docker守护进程（daemon）的主机称为Docker主机，它提供了容器引擎并负责管理本地容器的生命周期， 而容器的创建则要基于本地存储的Docker镜像进行，当本地缺失所需的镜像时，由守护进程负责到Docker Registry获取。Docker命令行客户端（名为docker）通过Docker守护进程提供的API与其交互， 用于容器和镜像等的对象管理操作。Docker各组件间的逻辑架构及交互关系如下图所示。

![docker_architecture](assets/docker_architecture.svg)



## 镜像

我们都知道，操作系统分为内核和用户空间。对于 Linux 而言，内核启动后，会挂载 `root` 文件系统为其提供用户空间支持。而 Docker 镜像（Image），就相当于是一个 `root` 文件系统。比如官方镜像 `ubuntu:18.04` 就包含了完整的一套 Ubuntu 18.04 最小系统的 `root` 文件系统。

Docker 镜像是一个特殊的文件系统，除了提供容器运行时所需的程序、库、资源、配置等文件外，还包含了一些为运行时准备的一些配置参数（如匿名卷、环境变量、用户等）。镜像不包含任何动态数据，其内容在构建之后也不会被改变。

### 镜像分层结构

因为镜像包含操作系统完整的 `root` 文件系统，其体积往往是庞大的，因此在 Docker 设计时，就充分利用 [Union FS](https://en.wikipedia.org/wiki/Union_mount) 的技术，将其设计为分层存储的架构。所以严格来说，镜像并非是像一个 ISO 那样的打包文件，镜像只是一个虚拟的概念，其实际体现并非由一个文件组成，而是由一组文件系统组成，或者说，由多层文件系统联合组成。

```{note}
理解镜像的原理还是比较重要的，后面会单独开一个章节来进行镜像的深度剖析
```

## 容器

镜像（`Image`）和容器（`Container`）的关系，就像是面向对象程序设计中的 `类` 和 `实例` 一样，镜像是静态的定义，容器是镜像运行时的实体。容器可以被创建、启动、停止、删除、暂停等。

容器的实质是进程，但与直接在宿主执行的进程不同，容器进程运行于属于自己的独立的 [命名空间](https://en.wikipedia.org/wiki/Linux_namespaces)。因此容器可以拥有自己的 `root` 文件系统、自己的网络配置、自己的进程空间，甚至自己的用户 ID 空间。容器内的进程是运行在一个隔离的环境里，使用起来，就好像是在一个独立于宿主的系统下操作一样。这种特性使得容器封装的应用比直接在宿主运行更加安全。也因为这种隔离的特性，很多人初学 Docker 时常常会混淆容器和虚拟机。

前面讲过镜像使用的是分层存储，容器也是如此。每一个容器运行时，是以镜像为基础层，在其上创建一个当前容器的存储层，我们可以称这个为容器运行时**读写**而准备的存储层为 **容器存储层**。

容器存储层的生存周期和容器一样，容器消亡时，容器存储层也随之消亡。因此，任何保存于容器存储层的信息都会随容器删除而丢失。

按照 Docker 最佳实践的要求，容器不应该向其存储层内写入任何数据，容器存储层要保持无状态化。所有的文件写入操作，都应该使用 **数据卷**（Volume）、或者 **绑定宿主目录**，在这些位置的读写会跳过容器存储层，直接对宿主（或网络存储）发生读写，其性能和稳定性更高。

> 数据卷的生存周期独立于容器，容器消亡，数据卷不会消亡。因此，使用数据卷后，容器删除或者重新运行之后，数据却不会丢失。

## 镜像仓库（Docker Registry）

镜像构建完成后，可以很容易的在当前宿主机上运行，但是，如果需要在其它服务器上使用这个镜像，我们就需要一个集中的存储、分发镜像的服务，`Docker Registry` 就是这样的服务。

一个 **Docker Registry** 中可以包含多个 **仓库**（`Repository`）；每个仓库可以包含多个 **标签**（`Tag`）；每个标签对应一个镜像。

通常，一个仓库会包含同一个软件不同版本的镜像，而标签就常用于对应该软件的各个版本。我们可以通过 `<仓库名>:<标签>` 的格式来指定具体是这个软件哪个版本的镜像。如果不给出标签，将以 `latest` 作为默认标签。

````{note}
以 Ubuntu 镜像为例，`ubuntu` 是仓库的名字，其内包含有不同的版本标签，如，`16.04`, `18.04`。我们可以通过 `ubuntu:16.04`，或者 `ubuntu:18.04` 来具体指定所需哪个版本的镜像。如果忽略了标签，比如 `ubuntu`，那将视为 `ubuntu:latest`。
````

仓库名经常以 *两段式路径* 形式出现，比如 `jwilder/nginx-proxy`，前者往往意味着 Docker Registry 多用户环境下的用户名，后者则往往是对应的软件名。但这并非绝对，取决于所使用的具体 Docker Registry 的软件或服务。

### Docker Registry 公开服务

Docker Registry 公开服务是开放给用户使用、允许用户管理镜像的 Registry 服务。一般这类公开服务允许用户免费上传、下载公开的镜像，并可能提供收费服务供用户管理私有镜像。

最常使用的 Registry 公开服务是官方的 [Docker Hub](https://hub.docker.com/)，这也是默认的 Registry，并拥有大量的高质量的官方镜像。除此以外，还有 Red Hat 的 [Quay.io](https://quay.io/repository/)；Google 的 [Google Container Registry](https://cloud.google.com/container-registry/)，[Kubernetes](https://kubernetes.io/) 的镜像使用的就是这个服务。

由于某些原因，在国内访问这些服务可能会比较慢。国内的一些云服务商提供了针对 Docker Hub 的镜像服务（`Registry Mirror`），这些镜像服务被称为 **加速器**。常见的有 [阿里云加速器](https://cr.console.aliyun.com/#/accelerator)、[DaoCloud 加速器](https://www.daocloud.io/mirror#accelerator-doc) 等。使用加速器会直接从国内的地址下载 Docker Hub 的镜像，比直接从 Docker Hub 下载速度会提高很多。在 [安装 Docker](https://www.kancloud.cn/docker_practice/docker_practice/469780) 一节中有详细的配置方法。

国内也有一些云服务商提供类似于 Docker Hub 的公开服务。比如 [网易云镜像服务](https://c.163.com/hub#/m/library/)、[DaoCloud 镜像市场](https://hub.daocloud.io/)、[阿里云镜像库](https://cr.console.aliyun.com/) 等。

### 私有 Docker Registry

除了使用公开服务外，用户还可以在本地搭建私有 Docker Registry。Docker 官方提供了 [Docker Registry](https://hub.docker.com/_/registry/) 镜像，可以直接使用做为私有 Registry 服务。在后面的章节中会有进一步的搭建私有 Registry 服务的讲解。

开源的 Docker Registry 镜像只提供了 [Docker Registry API](https://docs.docker.com/registry/spec/api/) 的服务端实现，足以支持 `docker` 命令，不影响使用。但不包含图形界面，以及镜像维护、用户管理、访问控制等高级功能。在官方的商业化版本 [Docker Trusted Registry](https://docs.docker.com/datacenter/dtr/2.0/) 中，提供了这些高级功能。

除了官方的 Docker Registry 外，还有第三方软件实现了 Docker Registry API，甚至提供了用户界面以及一些高级功能。比如，[Harbor](https://github.com/goharbor/harbor) 和 [Sonatype Nexus](http://www.sonatype.org/nexus/ )。

```{eval-rst}
.. include:: ../../comment.rst
```