快速掌握Docker必备基础知识

快速掌握Docker必备基础知识

Docker是时下热门的容器技术，相信作为一名开发人员，你一定听说过或者使用过，很多人会把Docker理解为一个轻量级虚拟机，但其实Docker与虚拟机(VM)是两种不同的计算机虚拟化技术，也有很多人会觉得，有了虚拟机，那为什么还要使用Docker呢？

带着心里的一点点疑问，让我们一起来学习Docker吧。

没有虚拟化技术的原始年代

我们仔细想想，在没有计算虚拟化技术的“远古”年代，如果我们要部署一个应用程序(Application)，一般的步骤是怎么样的？

第一步肯定是先要准备一台物理服务器，然后在物理服务器上安装一个操作系统(Operating System)，有了操作系统之后，便在操作系统上安装运行我们的应用程序，这个过程可以用下面的图来表示：

 

物理服务器部署应用示意图

 

那么，这种方式有什么问题呢？其实，在物理机上部署应用有以下几个缺点：

• 部署非常慢：因为我们得先准备硬件服务器，接着还要安装操作系统，然后再部署应用程序，而且应用程序还有很多的依赖软件，所以这个过程是比较慢的。

• 成本非常高：主要是物理器成本太高，即使是部署一个简单的应用，也需要一台服务器。

• 资源浪费：如果应用太简单，也容易浪费硬件资源，比如CPU和内存

• 迁移和扩展太慢：如果需要迁移应用，或者扩展应用，都要再准备其他的物理服务器，过程很麻烦，也很慢。

那么有什么办法可以解决这些问题呢？答案便是虚拟化技术。

使用虚拟机部署应用程序的年代

什么是虚拟化技术

谈到计算机的虚拟化技术，我们直接想到的便是虚拟机，虚拟机允许我们在一台物理计算机模拟出多台机器,简单地理解，虚拟化技术就是在一台物理计算机上，通过中间虚拟软件层Hypervisor隔离CPU、内存等硬件资源，虚拟出多台虚拟服务器，这样做的话，一台物理服务器便可以安装多个应用程序，达到资源利用的最大化，而且多个应用之间相互隔离，如下图所示：

 

虚拟机上部署应用示意图

 

虚拟机的优点

• 可以把资源分配到不同的虚拟机，达到硬件资源的最大化利用

• 与直接在物理机上部署应用，虚拟机更容易扩展应用。

• 云服务:通过虚拟机虚拟出不同的物理资源，可以快速搭建云服务。

虚拟机的不足之处

虚拟机的不足之处在于对物理服务器资源的消耗，当我们在物理服务器创建一台虚拟机时，便需要虚拟出一套硬件并在上面运行完整的操作系统，每台虚拟机都占用许多的服务器资源。

Docker是什么？

相对于虚拟机的笨重，Docker则更显得轻量化，因此不会占用太多的系统资源。

Docker是使用时下很火的Golang语言进行开发的，其技术核心是Linux内核的Cgroup,Namespace和AUFS类的Union FS等技术，这些技术都是Linux内核中早已存在很多年的技术，所以严格来说Docker并不是一个完全创新的技术，Docker通过这些底层的Linux技术，对Linux进程进行封装隔离，而被隔离的进程也被称为容器，完全独立于宿主机的进程。

所以Docker是容器技术的一种实现，也是操作系统层面的一种虚拟化，与虚拟机通过一套硬件再安装操作系统完全不同。

 

docker容器与系统关系示意图

 

Docker与虚拟机之间的比较

Docker是在操作系统进程层面的隔离，而虚拟机是在物理资源层面的隔离，两者完全不同，另外，我们也可以通过下面的一个比较，了解两者的根本性差异。

 

 

 容器与虚拟机的比较【摘自《Docker-从入门到实践》】

 

从上面的容器与虚拟机的对比中，我们明白了容器技术的优势。

容器解决了开发与生产环境的问题

开发环境与生产环境折射的是开发人员与运维人员之间的矛盾，也许我们常常会听到开发人员对运维人员说的这样一句话：“在我的电脑运行没问题，怎么到了你那里就出问题了，肯定是你的问题”，而运维人员则认为是开发人员的问题。

开发人员需要在本机安装各种各样的测试环境，因此开发的项目需要软件越多，依赖越多，安装的环境也就越复杂。

同样的，运维人员需要为开发人员开发的项目提供生产环境，而运维人员除了应对软件之间的依赖，还需要考虑安装软件与硬件之间的兼容性问题。

就是这样，所以我们经常看到开发与运维相互甩锅，怎么解决这个问题呢？

容器就是一个不错的解决方案，容器能成为开发与运维之间沟通的语言，因为容器就像一个集装箱一样，提供了软件运行的最小化环境，将应用与其需要的环境一起打包成为镜像，便可以在开发与运维之间沟通与传输。

 

 

Docker的版本

Docker分为社区版(CE)和企业版(EE)两个版本，社区版本可以免费使用，而企业版则需要付费使用，对于我们个人开发者或小企业来说，一般是使用社区版的。

Docker CE有三个更新频道，分别为stable、test、nightly，stable是稳定版本，test是测试后的预发布版本，而nightly则是开发中准备在下一个版本正式发布的版本，我们可以根据自己的需求下载安装。

如何安装Docker?

好了，通过前面的介绍，我们应该对Docker有了初步的了解，下面开始进入Docker的学习之旅了。

而学习Docker的第一步，从安装Docker运行环境开始，我们以Docker的社区版本(CE)安装为例。

Docker社区版本提供了Mac OS,Microsoft Windows和Linux(Centos,Ubuntu,Fedora,Debian)等操作系统的安装包，同时也支持在云服务器上的安装，比如AWS Cloud。

在Windows系统上安装

Docker Desktop for Windows

Docker为Windows提供了一个桌面应用程序管理的安装包(Docker Desktop for Windows)，不过对系统有以下几点要求：

1. 必须是64位Windows10专业版，企业版，教育版，构建在15063或更高版本，
2. 在BIOS中启用虚拟化。通常，默认情况下启用虚拟化。
3. 至少有4GB内存。
4. CPU支持SLAT。

如果操作系统满足上面的要求，则可以直接下载安装包直接安装，在安装成功后，Docker并不会自动启动，需要我们自己启动，我们可以在开始菜单中找到Docker，如下图，单击启动便可启动。

 

 

Docker Toolbox

如果系统达不到上面的要求，比如说你用的是Windows 7操作系统，这时候要想使用Docker，便需要借助Docker Toolbox，Docker Toolbox是Docker提供的在比较旧的Mac OS,Windows操作系统上安装Docker环境的工具集。

Docker Toolbox包括docker-cli(就是我们在终端使用的docker命令行工具)，docker-compose(多容器管理工具),docker-mecahine，VirtualBox(虚拟机)，Kitematic(docker的GUI管理工具)。

本质上使用Docker Toolbox安装Docker环境，实际上是在VirtualBox中创建一个Linux虚拟机，并在虚拟机上安装Docker。

另外，在安装过程中会开启Windows的Hyper-V模块(Windows操作系统实现虚拟化的一种技术)，这里面有个要注意的点是如果开启了Hyper-V，则VirtualBox不再生效了。

在Mac OS上安装

如同Windows操作系统一样，Docker为Mac OS也一样提供一个桌面应用程序(Docker Desktop for Mac)，比较简单，从docker官网上下载Dokcer.dmg安装，打开Docker.dmg，如下图所示：

 

 

直接拖动Docker图标便完成了安装。

对于比较老的Mac OS操作系统，也可以像Windows一样，使用Docker Toolbox，这点可以参考上面的介绍。

在Mac OS上安装完成之后，在Application中找到Docker图标，双击打开便可以启动Docker了，如下：

 

 

在Linux上安装

在Linux操作系统上的安装，主要以Centos7为例，其他Linux系统的发行版本，如Ubuntu，Debian，Fedora等，可以自行查询Docker的官方文档。

删除旧的docker版本

可能有些Linux预先安装Docker，但一般版本比较旧，所以可以先执行以下代码来删除旧版本的Docker。

$ sudo dnf remove docker \
                  docker-client \
                  docker-client-latest \
                  docker-common \
                  docker-latest \
                  docker-latest-logrotate \
                  docker-logrotate \
                  docker-selinux \
                  docker-engine-selinux \
                  docker-engine

指定安装版本

$ sudo yum-config-manager \
    --add-repo \
    https://download.docker.com/linux/centos/docker-ce.repo

使用yum安装docker

$ sudo yum install docker-ce docker-ce-cli containerd.io

启动docker服务器

# 启动docker守护进程
$ sudo systemctl start docker

测试安装是否成功

通过上面几种方式安装了Docker之后，我们可以通过下面的方法来检测安装是否成功。

打印docker版本

# 打印docker版本
$ docker version 

拉取镜像并运行容器

# 拉取hello-world镜像
docker pull hello-world

# 使用hello-world运行一个容器
docker run hello-world

运行上面的命令之后，如果有如下图所示的输出结果，则说明安装已经成功了。

 

 

Docker的基本概念

镜像(Image)、容器(Container)与仓库(Repository)，这三个是docker中最基本也是最核心的概念，对这三个概念的掌握与理解，是学习docker的关键。

镜像(Image)

什么是Docker的镜像？

Docker本质上是一个运行在Linux操作系统上的应用，而Linux操作系统分为内核和用户空间，无论是Centos还是Ubuntu，都是在启动内核之后，通过挂载Root文件系统来提供用户空间的,而Docker镜像就是一个Root文件系统。

Docker镜像是一个特殊的文件系统，提供容器运行时所需的程序、库、资源、配置等文件，另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）。

镜像是一个静态的概念，不包含任何动态数据，其内容在构建之后也不会被改变。

下面的命令是一些对镜像的基本操作，如下：

查看镜像列表

# 列出所有镜像
docker image ls

由于我们前面已经拉取了hello-world镜像，所以会输出下面的内容：

REPOSITORY                                      TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
hello-world                                     latest              fce289e99eb9        7 months ago        1.84kB

下面的命令也一样可以查看本地的镜像列表，而且写法更简洁。

# 列表所有镜像
docker images

从仓库拉取镜像

前面我们已经演示过使用docker pull命令拉取了hello-world镜像了，当然使用docker image pull命令也是一样的。

一般默认是从Docker Hub上拉取镜像的，Docker Hub是Docker官方提供的镜像仓库服务(Docker Registry)，有大量官方或第三方镜像供我们使用，比如我们可以在命令行中输入下面的命令直接拉取一个Centos镜像：

docker pull centos

docker pull命令的完整写法如下：

docker pull [选项] [Docker Registry 地址[:端口号]/]仓库名[:标签]

拉取一个镜像，需要指定Docker Registry的地址和端口号，默认是Docker Hub，还需要指定仓库名和标签，仓库名和标签唯一确定一个镜像，而标签是可能省略，如果省略，则默认使用latest作为标签名，另外，仓库名则由作者名和软件名组成。

那么，我们上面使用centos，那是因为省略作者名，则作者名library,表示Docker官方的镜像，所以上面的命令等同于：

docker pull library/centos:latest

因此，如果拉取非官方的第三方镜像，则需要指定完整仓库名，如下：

docker pull mysql/mysql-server:latest

运行镜像

使用docker run命令，可以通过镜像创建一个容器，如下：

docker run -it centos /bin/bash

删除镜像

当本地有些镜像我们不需要时，那我们也可以删除该镜像，以节省存储空间，不过要注意，如果有使用该镜像创建的容器未删除，则不允许删除镜像。

# image_name表示镜像名，image_id表示镜像id
dockere image rm image_name/image_id

删除镜像的快捷命令：

docker rmi image_name/image_id

好了，关于Docker镜像的相关知识，我们就简单地介绍到这里，有机会的话，我们单独写一篇文章来谈谈，特别构建Docker镜像部分的相关知识，有必要深入再学习一下。

容器(Container)

Docker的镜像是用于生成容器的模板，镜像分层的，镜像与容器的关系，就是面向对象编程中类与对象的关系，我们定好每一个类，然后使用类创建对象，对应到Docker的使用上，则是构建好每一个镜像，然后使用镜像创建我们需要的容器。

启动和停止容器

启动容器有两种方式，一种是我们前面已经介绍过的，使用docker run命令通过镜像创建一个全新的容器，如下：

docker run hello-world

另外一种启动容器的方式就是启动一个已经停止运行的容器：

# container_id表示容器的id
docker start container_id

要停止正在运行的容器可以使用docker container stop或docker stop命令，如下：

# container_id表示容器的id
docker stop container_id

查看所有容器

如果要查看本地所有的容器，可以使用docker container ls命令：

# 查看所有容器
docker container ls

查看所有容器也有简洁的写法，如下：

# 查看所有容器
docker ps

删除容器

我们也可以使用docker container rm命令，或简洁的写法docker rm命令来删除容器，不过不允许删除正在运行的容器，因此如果要删除的话，就必须先停止容器，

# container_id表示容器id,通过docker ps可以看到容器id
$ docker rm container_id

当我们需要批量删除所有容器，可以用下面的命令：

# 删除所有容器
docker rm $(docker ps -q)

# 删除所有退出的容器
docker container prune

进入容器

# 进入容器,container_id表示容器的id,command表示linux命令,如/bin/bash
docker exec -it container_id command

仓库(Repository)

在前面的例子中，我们使用两种方式构建镜像，构建完成之后，可以在本地运行镜像，生成容器，但如果在更多的服务器运行镜像呢？很明显，这时候我们需要一个可以让我们集中存储和分发镜像的服务，就像Github可以让我们自己存储和分发代码一样。

Docker Hub就是Docker提供用于存储和分布镜像的官方Docker Registry，也是默认的Registry，其网址为https://hub.docker.com，前面我们使用docker pull命令便从Docker Hub上拉取镜像。

Docker Hub有很多官方或其他开发提供的高质量镜像供我们使用，当然，如果要将我们自己构建的镜像上传到Docker Hub上，我们需要在Docker Hub上注册一个账号，然后把自己在本地构建的镜像发送到Docker Hub的仓库当中，Docker Registry包含很多个仓库，每个仓库对应多个标签，不同标签对应一个软件的不同版本。

Docker的组成与架构

在安装好并启动了Docker之后，我们可以使用在命令行中使用docker命令操作docker，比如我们使用如下命令打印docker的版本信息。

docker verion

其结果如下：

 

 

从上面的图中，我们看到打出了两个部分的信息：Client和Server。

这是因为Docker跟大部分服务端软件一样(如MySQL)，都是使用C/S的架构模型，也就是通过客户端调用服务器，只是我们现在刚好服务端和客户端都在同一台机器上而已。

因此，我们可以使用下面的图来表示Docker的架构，DOCKER_HOST是Docker server，而Clinet便是我们在命令中使用docker命令。

 

 

Docker Engine

docker server为客户端提供了容器、镜像、数据卷、网络管理等功能，其实，这些功能都是由Docker Engine来实现的。

1. dockerd:服务器守护进程。
2. Client docker Cli：命令行接口
3. REST API：除了cli命令行接口，也可以通过REST API调用docker

下面是Docker Engine的示例图：

 

 

小结

作为一名开发人员，在学习或开发过程中，总需要安装各种各样的开发环境，另外，一个技术团队在开发项目的过程，也常常需要统一开发环境，这样可能避免环境不一致引发的一些问题。

虽然使用虚拟机可以解决上面的问题，但虚拟机太重，对宿主机资源消耗太大，而作为轻量级容器技术，Docker可以简单轻松地解决上述问题，让开发环境的安装以及应用的部署变得非常简单，而且使用Docker，比在虚拟机安装操作系统，要简单得多。