浅析Docker镜像本地存储机制及容器启动原理

　　Docker是一个开源的引擎，可以轻松的为任何应用创建一个轻量级的、可移植的、自给自足的容器。开发者在笔记本上编译测试通过的容器可以批量地在生产环境中部署，包括VMs（虚拟机）、bare metal、OpenStack 集群和其他的基础应用平台。

　　近几年 Docker 风靡技术圈，不少从业人员都或多或少使用过，也了解如何通过 Dockerfile 构建镜像，从远程镜像仓库拉取自己所需镜像，推送构建好的镜像至远程仓库，根据镜像运行容器等。这个过程十分简单，只需执行 docker build、docker pull、docker push、docker run 等操作即可。但大家是否想过镜像在本地到底是如何存储的？容器又是如何根据镜像启动的？推送镜像至远程镜像仓库时，服务器又是如何存储的呢？

　　Docker 镜像本地存储机制及容器启动原理

　　Docker 镜像不是一个单一的文件，而是有多层构成。我们可通过 docker images 获取本地的镜像列表及对应的元信息， 接着可通过docker history 《imageId》 查看某个镜像各层内容及对应大小，每层对应着 Dockerfile 中的一条指令。Docker 镜像默认存储在 /var/lib/docker/《storage-driver》中，可通过 DOCKER_OPTS 或者 docker daemon 运行时指定 --graph= 或 -g 指定。

　　Docker 使用存储驱动来管理镜像每层内容及可读写的容器层，存储驱动有 DeviceMapper、AUFS、Overlay、Overlay2、Btrfs、ZFS 等，不同的存储驱动实现方式有差异，镜像组织形式可能也稍有不同，但都采用栈式存储，并采用 Copy-on-Write（CoW） 策略。且存储驱动采用热插拔架构，可动态调整。那么，存储驱动那么多，该如何选择合适的呢？大致可从以下几方面考虑：

　　若内核支持多种存储驱动，且没有显式配置，Docker 会根据它内部设置的优先级来选择。优先级为 AUFS 》 Btrfs/ZFS 》 Overlay2 》 Overlay 》 DeviceMapper。若使用 DeviceMapper 的话，在生产环境，一定要选择 direct-lvm， loopback-lvm 性能非常差。

　　选择会受限于 Docker 版本、操作系统、系统版本等。例如，AUFS 只能用于 Ubuntu 或 Debian 系统，Btrfs 只能用于 SLES （SUSE Linux Enterprise Server， 仅 Docker EE 支持）。

　　有些存储驱动依赖于后端的文件系统。例如，Btrfs 只能运行于后端文件系统 Btrfs 上。

　　不同的存储驱动在不同的应用场景下性能不同。例如，AUFS、Overlay、Overlay2 操作在文件级别，内存使用相对更高效，但大文件读写时，容器层会变得很大;DeviceMapper、Btrfs、ZFS 操作在块级别，适合工作在写负载高的场景;容器层数多，且写小文件频繁时，Overlay 效率比 Overlay2 更高;Btrfs、ZFS 更耗内存。

　　Docker 容器其实是在镜像的最上层加了一层读写层，通常也称为容器层。在运行中的容器里做的所有改动，如写新文件、修改已有文件、删除文件等操作其实都写到了容器层。容器层删除了，最上层的读写层跟着也删除了，改动自然也丢失了。若要持久化这些改动，须通过 docker commit 《containerId》 ［repository［：tag］］ 将当前容器保存成为一个新镜像。若想将数据持久化，或是多个容器间共享数据，需将数据存储在 Docker volume 中，并将 volume 挂载到相应容器中。

　　存储驱动决定了镜像及容器在文件系统中的存储方式及组织形式，下面分别对常见的 AUFS、Overlay 作一简单介绍。

　　AUFS

　　AUFS 是 Debian （Stretch 之前的版本，Stretch默认采用 Overlay2） 或 Ubuntu 系统上 Docker 的默认存储驱动，也是 Docker 所有存储驱动中最为成熟的。具有启动快，内存、存储使用高效等特点。如果使用的 Linux 内核版本为 4.0 或更高，且使用的是 Docker CE，可考虑使用Overlay2 （比 AUFS 性能更佳）。

　　配置 AUFS 存储驱动

　　① 验证内核是否支持 AUFS

　　$ grep aufs /proc/filesystems nodev aufs

　　② 若内核支持，可在 docker 启动时通过指定参数 --storage-driver=aufs 选择 AUFS

　　AUFS 存储驱动工作原理

　　采用 AUFS 存储驱动时，有关镜像和容器的所有层信息都存储在 /var/lib/docker/aufs/ 目录下，下面有三个子目录：

　　/diff：每个目录中存储着每层镜像包含的真实内容

　　/layers：存储有关镜像层组织的元信息，文件内容存储着该镜像的组建镜像列表

　　/mnt：挂载点信息存储，当创建容器后，mnt 目录下会多出容器对应的层及该容器的 init 层。目录名称与容器 ID 不一致。实际的读写层存储在 /var/lib/docker/aufs/diff，直到容器删除，此读写层才会被清除掉。

　　采用 AUFS 后容器如何读写文件？