探究联合文件系统

1 Docker镜像是什么

镜像是一种轻量级、可执行的独立软件包，用来打包软件运行环境和基于运行环境的开发软件，它包含运行某个软件所需的所有内容，包括代码、运行时、库、环境变量和配置文件。

2 UnionFS(联合文件系统)

Union文件系统(UnionFS) 是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统，他支持对文件系统的修改作为一次提交来层层的叠加，同时可以将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下（unite several directories into a single virtual filesystem）。Union文件系统是Docker镜像的基础。镜像可以通过分层来进行集成，基于基础镜像（没有父镜像），可以制作各种具体的应用镜像。

特性：一次同时加载多个文件系统，但从外面看起来，只能看到一个文件系统，联合加载会把各层文件系统叠加起来，这样最终的文件系统会包含所有底层文件和目录。

3 Docker 镜像加载原理

docker 的镜像实际上由一层一层的文件系统组成，这种层级的文件系统就是联合文件系统(UnionFS)。

bootfs(boot file system—>boot文件系统) 主要包含bootloader(boot加载器)和kernel(内核)，其中boot加载器主要是用来引导加载内核。Linux刚启动时会加载bootfs(boot文件系统)，在Docker镜像的最底层是bootfs(boot文件系统)。这一层与典型的Linux/Unix系统是一样的，包含boot加载器和内核。当boot加载完成之后整个内核就存在内存中了，此时内存的使用权已由bootfs(boot文件系统)转交给内核，此时系统就会卸载bootfs(boot文件系统)。

roorfs （root file system—>root文件系统），在bootfs(boot文件系统)之上。包含的就是典型Linux系统中的 /dev ，/proc，/bin ，/etc 等标准的目录和文件。rootfs(root文件系统)就是各种不同的操作系统发行版，比如Ubuntu，Centos等等。

对于一个精简的OS(操作系统)，rootfs(root文件系统)可以很小，只需要包括最基本的命令、工具和程序库就可以了，因为底层直接用Host(宿主机)的kernel(内核)，自己只需要提供rootfs(root文件系统)就行了，由此可见对于不同的Linux发行版，bootfs(boot文件系统)基本是一致的，rootfs(root文件系统)会有差别，因此不同的发行版(如Ubuntu，Centos等)可以公用bootfs(boot文件系统)。

4 Docker 镜像联合文件系统分层，Tomcat镜像示例

采用这种分层结构最大的一个好处就是共享资源，比如有多个镜像都从相同的base镜像构建而来，那么宿主机只需要在磁盘上保存一份base镜像，同时内存中也只需要加载一份base镜像，就可以为所有容器服务了。而且镜像的每一层都可以被共享。比如，多个java程序镜像都可以共享同一个jdk镜像(base镜像)，而不用每个java程序镜像都自己包含一个jdk镜像，这样虽然jdk镜像有百兆左右，比较大，但是可以共享，因此不会占用很大空间。

5 镜像和容器的关系

Docker的镜像都是只读的，当容器启动时，一个新的可写层被加载到这个镜像的顶部。这一层我们通常称之为“容器层”，容器层之下的层叫“镜像层”。

图中的顶上两层，是Docker为容器新建的内容，而这两层属于容器范畴。这两层分别为Docker容器的初始层(Init Layer)与可读写层(Read－Write Layer)。

(1) 初始层：大多是初始化容器环境时，与容器相关的环境信息，如容器主机名，主机(host)信息以及域名服务文件等。

(2) 读写层：Docker容器内的进程只对可读写层拥有写权限，其他层对进程而言都是只读的(Read-Only)。另外，关于VOLUME以及容器的hosts、hostname、resolv.conf文件等都会挂载到这里。

6 总结

为了节省空间和性能消耗，在docker中进行操作时，一般是首先下载一个最基本的基础镜像，然后我们以这个镜像为基础建立容器，这时就是在基础镜像层上面添加了容器层，此时镜像层+容器层成为了我们要使用的一个新的应用。如果有需要，我们可以将刚刚配置好的镜像层+容器层再打包融合为一个新的镜像（一个新的层级），进而在之后有需要时再在这个新的镜像上面进行操作。
一般，最基本的镜像层是无法被修改的，这一般是远程pull下来的。

镜像层与容器层的关系图如下图所示：
镜像层是无法被修改的，这一般是远程pull下来的。
镜像层与容器层的关系图如下图所示：