面向新手的Docker与容器基础介绍-51CTO.COM

译者 | 刘涛

审校 | 重楼

在现代软件开发领域，效率和一致性是不可或缺的重要因素。开发人员和运维团队迫切需要一种能够助力他们跨越不同环境，实现应用程序的无缝管理、部署与运行的解决方案。

容器及Docker技术的出现，无疑为软件的构建、测试和部署方式带来了颠覆性的变革。它们极大地简化了软件开发流程，提高了部署效率，并确保了应用在不同环境中的一致性表现。

无论你是初涉技术领域的新手，还是希望深入了解Docker基础知识的专业人士，本文都将为你提供全面而详尽的指导。

什么是容器？

在深入了解Docker之前，让我们先对容器（container）有一个初步的认识。想象一下，你正在开展一个项目，并且你的应用程序在笔记本电脑上运行得十分顺畅。然而，当你尝试在另一台机器上部署并运行相同的应用程序时，却遭遇了失败。这种情况往往源于环境之间的差异：可能是操作系统的不同、已安装软件版本的不匹配或是配置上的差异。

容器技术正是为了解决这一问题而诞生的。它将应用程序及其所有的依赖项，包括库、框架、配置文件等，都打包成一个单一的、标准化的单元。这样一来，无论应用程序被部署到哪里——无论是在开发者的笔记本电脑上，还是在服务器上，甚至是在云端——它都能以完全相同的方式运行，从而极大地降低了因环境差异而导致的运行失败的风险。

容器具备以下几个关键特性：

轻量级：容器具有轻量级的特性。它共享主机系统的内核，这一点与虚拟机（VM）有着显著区别。虚拟机需要单独的操作系统实例，而容器由于共享内核，无需额外的操作系统资源开销，所以在运行速度上更快，资源利用效率也更高。
可移植性：容器具有良好的可移植性。一旦构建完成，容器就能够在各种各样的环境中保持一致的运行状态。无论是不同的操作系统版本，还是不同的硬件平台，容器都能稳定运行，不会因为环境的改变而出现兼容性问题。
隔离性：容器运行于隔离的进程之中。这种隔离性意味着每个容器都像是一个独立的小世界，它们在运行过程中不会对同一系统上运行的其他应用程序产生干扰。

什么是Docker？

既然我们已经对容器有了初步的了解，接下来就让我们谈谈Docker——这个让容器技术走向主流的重要平台。

Docker是一个开源工具，它的核心目标是简化容器的创建、管理和部署过程。自2013年面世以来，Docker凭借其出色的易用性、庞大的社区支持以及强大的工具生态系统，迅速崛起为容器化技术的首选解决方案。

Docker中的关键概念

Docker镜像：我们可以将Docker镜像视为容器的蓝图。它包含了运行应用程序所需的一切元素，如代码、库以及系统依赖项等。这些镜像都是根据Dockerfile中详细编写的一组指令来构建的，确保了镜像内容的准确性和一致性。
Docker容器：容器则是Docker镜像的具体运行实例。当你创建并启动一个容器时，Docker会将对应的镜像加载到一个完全隔离的运行环境中，应用程序便可以在这个独立的空间内运行，而不会受到外界因素的干扰。
Dockerfile：Dockerfile是一个至关重要的文本文件，它包含了创建Docker镜像所需执行的各个步骤。在这个文件中，你可以定义容器的各项配置，包括选择基础镜像、添加应用程序代码以及引入其他必要的依赖项等。
Docker Hub：Docker Hub是一个功能强大的公共注册表，开发人员可以在其中共享和访问预构建的Docker镜像。对于处理常见应用程序或技术堆栈的场景，Docker Hub上往往已经提供了大量可用的镜像资源，这极大地节省了你的时间和精力。
Docker Compose：对于那些需要同时运行多个容器（例如Web服务器和数据库）的应用程序来说，Docker Compose则是一个不可或缺的工具。它允许你使用简单的YAML文件（一种人类可读的数据序列化格式，通常用于配置文件、数据交换等场景）来定义和管理多容器环境，从而实现了容器之间的协同工作和高效管理。

为什么选择Docker？

Docker之所以广受欢迎，主要归因于它能够有效地解决开发人员在日常工作中所面临的多种挑战：

跨环境一致性：Docker为开发人员提供了一种“一次构建，随处运行”的便捷开发方式。这意味着无论应用程序被部署在哪个环境中——从本地开发环境到生产环境——它都能以相同的方式运行，从而确保了应用程序在不同环境中的一致性和稳定性。
速度：Docker容器的启动和停止速度非常快，这使其在测试和部署管道中具有显著优势。开发人员可以迅速地对应用程序进行迭代和测试，大大提高了开发效率。
资源高效利用：相较于虚拟机，Docker容器能够更有效地共享主机系统的资源。它们减少了系统开销，允许在相同的硬件上部署更多的容器，从而实现了更高的资源利用效率和部署密度。
应用程序的版本控制：Docker不仅支持对代码进行版本控制，还允许开发人员对代码运行的环境进行版本控制。这意味着开发人员可以便捷地回滚到以前的应用程序版本或环境配置，这对于在生产环境中调试问题特别有用。

Docker架构

当你初次接触Docker时，可能会将其视为一个方便使用的工具盒。虽然这种“即插即用”的方式对于入门者来说并无不妥，但深入了解Docker的架构将为你在故障排除、性能优化以及制定容器化策略方面提供有力的支持。

Docker的架构经过精心设计，旨在确保系统的效率、灵活性和可扩展性。它由多个相互协作的组件共同构成，这些组件协同工作，用于创建、管理和运行容器。接下来，让我们一同深入了解这些核心组件。

核心组件

Docker 的架构是围绕客户端-服务器模型构建的，该模型包括以下组件：

Docker Client
Docker Daemon (dockerd)
Docker Engine
Docker Images
Docker Containers
Docker Registries

1.Docker Client

Docker Client是用户与Docker进行互动的主要方式。作为一个功能强大的命令行工具，它借助REST API与Docker Daemon（稍后会详细探讨）进行通信，并发送各种指令。我们日常所使用的docker build、docker pull以及docker run等命令，都是通过Docker Client来执行的。

当你输入如docker run nginx这样的命令时，Docker Client会迅速将其翻译成Docker Daemon能够理解并执行的请求。简而言之，Docker Client就像是一个便捷的前端界面，它使得用户能够轻松地与Docker背后那些更为复杂的组件进行交互和操作。

2.Docker Daemon (dockerd)

Docker Daemon，亦被称作dockerd，堪称整个Docker操作体系的核心所在。它是一个后台进程，主要负责监听来自Docker Client的请求，并且对诸如容器、镜像、网络以及卷等Docker对象进行管理。

以下是Docker Daemon的主要职能：

构建和运行容器：当客户端发送运行容器的指令时，Docker Daemon会首先拉取所需的镜像，接着创建对应的容器，最后启动该容器。
管理Docker资源：Docker Daemon承担着处理多种任务的职责，诸如网络配置和卷管理等。Docker Daemon在主机上运行，并使用REST API、Unix套接字或网络接口与Docker Client进行通信，还负责与容器运行时（Container Runtime）进行交互。容器运行时是Docker架构中的一个关键组件，它负责在主机上执行容器内的进程，并与Docker Daemon协作，以确保容器的正确运行和管理。

3. Docker Engine

Docker Engine是Docker的核心部分，是整个平台得以运行的关键所在，它将客户端、daemon以及容器运行时有机地整合在一起。Docker Engine具备良好的跨平台特性，能够在多种操作系统上运行，其中涵盖了Linux、Windows以及macOS等常见操作系统。

Docker Engine包含两个版本：

Docker CE（Community Edition，社区版）：该版本是免费且开源的，在个人开发者群体以及小型项目中得到了广泛的应用。
Docker EE（Enterprise Edition，企业版）：作为付费的企业级版本，Docker EE为企业用户提供了一系列附加功能。例如，它具备增强的安全性机制，能够更好地保护企业数据和应用程序在容器环境中的安全；提供专业的支持服务，当企业用户在使用过程中遇到问题时，可以及时获得技术支持；还拥有认证等功能，有助于企业在合规性方面满足相关要求等。

Docker Engine通过对构建、运行以及管理容器所需的各类组件进行集成，有效地简化了容器编排这一复杂的工作流程。这使得无论是开发人员还是运维人员，在处理容器相关事务时都能够更加高效、便捷地进行操作。

4.Docker Images

Docker镜像（Docker Image）是一种只读模板，包含应用程序运行所需的一切——代码、库、依赖项和配置。镜像可以被视为容器的基石，每当运行一个容器时，系统实际上是在Docker镜像的基础之上，叠加了一个可写层，从而允许容器在执行过程中对文件进行修改。

Docker镜像通常由Dockerfile构建而成，Dockerfile是包含如何构建镜像的指令的文本文件。例如，一个典型的Dockerfile可能以诸如nginx或ubuntu这样的基础镜像开始，随后通过一系列指令，如复制文件、安装必要的依赖项或配置环境变量等，来逐步塑造出最终的镜像。

以下是一个Dockerfile的简单示例：

dockerfileCopy codeFROM nginx:latest
COPY ./html /usr/share/nginx/html
EXPOSE 80

在这个具体的例子中，我们选择官方的Nginx镜像作为基础，将本地的HTML文件复制到容器的web目录中，以便对外提供服务。

一旦镜像构建完成，就可以被存储在Docker注册表中，以便与他人共享，共同推动容器化技术的发展。

5.Docker Containers

Docker Containers（Docker容器）是Docker镜像的运行实例，以其轻量级和高度隔离的特性而著称。尽管它们与主机操作系统共享同一个内核，但每个容器都拥有独立的文件系统、内存空间、CPU资源分配以及网络配置。这种设计不仅赋予了容器出色的可移植性和可重复性，还确保了应用程序在不同环境下的稳定性和一致性。

Docker Containers的生命周期涵盖了创建、启动、运行、停止以及销毁等多个阶段。尤为值得一提的是，容器还有一个特别方便的功能：即使重启电脑或服务器，这些容器仍然可以保留下来，不会丢失之前的配置和数据。由于容器是基于镜像构建的，因此它们能够确保应用程序在任何运行环境中都能展现出相同的行为特性。

Docker容器的核心优势如下：

隔离性：容器之间以及容器与主机之间实现了严格的隔离，但它们仍然共享相同的操作系统内核。
可移植性：容器能够在本地机器、虚拟机以及云平台上等任何地方运行，为应用程序的灵活部署提供了有力保障。

6. Docker Registries

Docker Registries（Docker注册表）是存储和分发Docker镜像的核心枢纽。最受欢迎的注册表是Docker Hub，它托管了数以百万计的公开镜像资源。此外，企业还可以根据自身需求搭建私有注册表，以确保镜像的安全存储和分发。

Docker注册表提供以下关键功能：

镜像版本管理：通过为镜像添加标签来实现版本控制，从而方便用户管理和切换不同的应用程序版本。
访问控制：注册表支持公开和私有两种模式，并提供了基于角色的访问控制机制，来管理用户拉取或推送镜像的权限。
分发机制：用户可以从注册表中拉取镜像并在任何地方部署，从而极大地提高了容器化应用程序的共享和重用效率。

Docker的容器运行时：containerd

在Docker架构的近期发展中，一个尤为重要的变革是引入了containerd。以往，Docker依赖于其自有的容器运行时，但如今，它已转而采用containerd这一遵循行业标准的容器运行时。值得一提的是，containerd同样被Kubernetes等其他主流平台所使用。

containerd负责以下任务：

启动和停止容器
管理容器的存储和网络
从注册表中拉取容器镜像

通过将容器运行时与Docker的高级功能分离，Docker架构变得更加模块化与灵活，这个特点允许其他工具也能轻松集成并使用containerd，而Docker则更加专注于提升用户界面功能的丰富性。

如何使用Docker创建一个简单容器

拉取Linux镜像

首先，从Docker Hub拉取alpine镜像。alpine镜像是一个极小的Linux发行版镜像，旨在实现轻量级和快速运行。

运行以下命令：

docker pull alpine

这将把alpine镜像下载到本地系统。

运行容器

接下来，我们使用这个alpine镜像来创建并运行一个Docker容器。同时，我们还可以在容器内部启动一个终端会话，以便进行交互操作。

docker run -it alpine /bin/sh

以下是每个选项的含义：

docker run：创建并启动一个新容器。
-it：允许你与容器进行交互（交互模式+终端）。
alpine：指定要使用的镜像。
/bin/sh：指定在容器内部要运行的命令（在此例中为一个shell会话）。

探索容器

一旦容器运行起来，就会出现一个shell提示符，如下所示：

/ #

这表明你已进入Alpine Linux容器。现在，你可以运行Linux命令。例如：

检查当前目录：

Pwd

列出目录中的文件：

ls

输出：会呈现出一个最小的目录结构，这是因为Alpine属于轻量级镜像。

你还可以安装一个软件包（Alpine使用apk作为包管理器）：

apk add curl

退出容器

当你完成在Alpine容器内的探索后，可以通过输入exit命令来关闭终端会话并停止容器运行。

bashCopy codeexit

在容器停止后重新访问

如果你希望在容器停止后再次访问它，可以使用以下命令列出所有容器（包括已停止的容器）：

docker ps -a

你会看到包含容器ID和状态的容器列表，然后可以启动已停止的容器：

docker start <container-id>

可以使用以下命令连接到容器的shell：

docker exec -it <container-id> /bin/sh

如果不再需要该容器，可以将其删除：

1.停止容器（如果它仍在运行）：

docker stop <container-id>

2.删除容器：

docker rm <container-id>

Docker关键命令回顾

命令	描述
docker pull alpine	下载 Alpine Linux 映像
docker run -it alpine /bin/sh	创建并启动交互式容器
docker ps -a	列出所有容器（运行和已停止）
docker start <container-id>	启动已停止的容器
docker exec -it <container-id>	连接到正在运行的容器
docker stop <container-id>	停止正在运行的容器
docker rm <container-id>	删除已停止的容器

总结

现在你已经奠定了坚实的基础，接下来是将所学知识付诸实践的时刻了。勇敢地迈出第一步，尝试使用Docker来构建你的首个容器，并深入探索其庞大且充满活力的生态系统。

相信在不久的将来，你就会深刻体会到Docker为何能成为现代DevOps和软件工程领域不可或缺的基石。它不仅能够极大地提升开发、测试和部署的效率，还能为你的项目带来前所未有的灵活性和可扩展性。祝你在Docker的学习和实践之旅中取得丰硕的成果！

译者介绍

刘涛，51CTO社区编辑，某大型央企系统上线检测管控负责人。

标题：An Introduction to Docker and Containers for Beginners，作者：Kedar Makode