Docker是如何组织存储的

dokcer在组织存储内容时很巧妙的应用了分层复用的思想。所以我们可以以此为案例学习一下该思想。

1.镜像分层

一个Docker镜像在构建的过程中分了很多层，每一层都是只读的。结合下面例子进行说明：

# syntax=docker/dockerfile:1
FROM ubuntu:18.04
LABEL org.opencontainers.image.authors="org@example.com"
COPY . /app
RUN make /app
RUN rm -r $HOME/.cache
CMD python /app/app.py

这个Dockerfile中会有4条指令改变了文件系统并创建了新层。

FROM指令从ubuntu:18.04的镜像中创建了基础层。
LABEL指令仅仅修改了镜像的元数据，不会创建新层。
COPY指令将执行本次构建的当前目录中的内容添加到镜像当中，会创建一个新层记录改变。
第一个RUN指令，构建了程序并将结果输出到镜像中，会创建一个新层记录改变。
第二个RUN指令，删除了缓存目录，会创建一个新层记录改变。
CMD指令定义了容器中运行的指令，只是修改了镜像的元数据，并不会创建新层。

这里每层都只记录与其上一层的不同。当我们创建一个容器的时候，这是就会创建一层可写层，也叫容器层。对于正在运行中的容器的内容的变化都会记录在该层中。下图描述了该关系：

2.容器分层

容器和镜像的不同主要是最顶层的可写层的不同，所有对于容器的写操作都会记录在这层中，如果容器被删除，那么这个可写层也会被删除，但是镜像会被保留。

注意：如果想要多个容器共享相同的数据，可以通过Docker Volumes实现。

每个容器都有其自己的可写层，所有的变换都会被存放在其中，所以多个容器可共享同一个镜像。下图描述了该关系：

注意：此处还有个细节，多个镜像可能共用相同的层，比如两个镜像中有相同的层，那么在构建或是拉取的时候发现本地以存在，则不会再次构建或拉取。所以计算镜像大小的时候，不能仅通过 docker images命令显示出的大小来汇总求和，该值有可能大于实际值。

3.容器在磁盘占用的空间

可以通过 docker ps -s命令，来看正在运行中的容器占用的空间（部分值）。两个列的不同代表的内容：

size：容器的可写层占用的磁盘大小
virtual size：包含了容器可写层和只读镜像的大小。

容器占用磁盘空间的其它途径：

容器产生的日志文件。
使用Volume和bind mounts挂载的内容。
容器的配置文件
内存中的内容（如果开启了swapping）
Checkpoints（如果使用了该功能）

4.Copy-on-Write（CoW）策略

Docker中的存储驱动都是采用该策略。

CoW策略能够最大效率的共享和复制文件。如果一个文件在镜像的更低层存在，那么其上层（包括可写层）需要读取该内容则可以直接使用该文件。当需要对其进行修改时，会复制该文件到该层并进行修改。这最大限度的减少了IO和每个后续层的大小。

4.1共享使镜像更小

当我们使用 docker pull拉取镜像或是使用一个本地没有的镜像创建容器的时候，该镜像会被分层的存储到本地Dockers存储区域中。在linux中通常是 /var/lib/docker。

我们可以去 /var/lib/docker/目录下看我们已拉取各层镜像。比如使用 overlay2存储驱动。

这么多层，我们可以通过 docker image inspect来查看某个镜像包含哪些层

docker image inspect --format "{{json .RootFS.Layers}}" redis

docker image inspect --format "{{json .RootFS.Layers}}" mysql:5.7

通过上面查看我们可以看到redis和mysql5.7运用了同一层，这样共享相同层就大大节省了存储镜像的空间，同时也提升了拉取镜像的速度。

我们可以通过 docker image history命令来查看镜像分层情况，以redis为例

docker history redis

注意：

有些步骤的大小为0，是因为他们只改变了元数据，并不会产生新层，也不会占用额外的空间（除元数据本身）。所以上述redis镜像中包含了5层。
步骤，这些步骤可能是以下情况中的一种
- 在另一个系统上构建的
- 从Docker Hub中提取的
- 使用BuildKit作为构建器构建的。

4.2复制让容器更有效率

当我们启动一个容器的时候，会添加一个可写层在镜像之上，用于存储所有的变化。当对已有文件进行修改的时候采用CoW策略。首先会到各层寻找到该文件，然后复制该文件到可写层，然后进行修改并存储。

这么做能够让我们最大限度地减少I/O操作。

但是，很明显的是当一个容器中的应用需要进行频繁的写操作，那么会造成可写层越来越庞大，此时我们可以通过Volume来帮助我们分担压力。

容器的元数据和日志是单独存放的，一般是存放在 /var/lib/docker/containers中，我们可以使用 du -sh /var/lib/docker/containers/*来查看各个容器占用多少。（容器ID其实就是文件夹名称的前12位）。

推荐学习：《docker视频教程》

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