Docker镜像的存储机制
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?下面我们就来简单聊一聊。
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 简介
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?
读文件
- 容器进行读文件操作有以下三种场景：
- 容器层不存在： 要读取的文件在容器层中不存在，存储驱动会从镜像层逐层向下找，多个镜像层中若存在同名文件，上层的有效。
- 文件只存在容器层：读取容器层文件
容器层与镜像层同时存在：读取容器层文件
修改文件或目录
容器中进行文件的修改同样存在三种场景：
- 第一次写文件：若待修改的文件在某个镜像层中，AUFS 会先执行 copy_up 操作将文件从只读的镜像层拷贝到可读写的容器层，然后进行修改。在文件非常大的情况下效率比较低下。
- 删除文件：删除文件时，若文件在镜像层，其实是在容器层创建一个特殊的 writeout 文件，容器层访问不到，并没有实际删掉。
目录重命名：目前 AUFS 还不支持目录重命名。
OverlayFS
OverlayFS 简介
OverlayFS 是一种类似 AUFS 的现代联合文件系统，但实现更简单，性能更优。OverlayFS 严格说来是 Linux 内核的一种文件系统，对应的 Docker 存储驱动为 Overlay 或者 Overlay2，Overlay2 需 Linux 内核 4.0 及以上，Overlay 需内核 3.18 及以上。且目前仅 Docker 社区版支持。条件许可的话，尽量使用 Overlay2，与 Overlay 相比，它的 inode 利用率更高。
容器如何使用 Overlay/Overlay2 读写文件
读文件
读文件存在以下三种场景：
- 文件不存在容器层：若容器要读的文件不在容器层，会继续从底层的镜像层找
- 文件仅在容器层：若容器要读的文件在容器层，直接读取，不用在底层的镜像层查找
- 文件同时在容器层和镜像层：若容器要读的文件在容器层和镜像层中都存在，则从容器层读取
修改文件或目录
写文件存在以下三种场景：
- 首次写文件：若要写的文件位于镜像层中，则执行 copy_up 将文件从镜像层拷贝至容器层，然后进行修改，并在容器层保存一份新的。若文件较大，效率较低。OverlayFS 工作在文件级别而不是块级别，这意味着即使对文件稍作修改且文件很大，也须将整个文件拷贝至容器层进行修改。但需注意的是，copy_up 操作仅发生在首次，后续对同一文件进行修改，操作容器层文件即可
- 删除文件或目录：容器中删除文件或目录时，其实是在容器中创建了一个 writeout 文件，并没有真的删除文件，只是使其对用户不可见
- 目录重命名：仅当源路径与目标路径都在容器层时，调用 rename(2) 函数才成功，否则返回 EXDEV
远程镜像仓库如何存储镜像?
不少人可能经常使用 Docker，那么有没有思考过镜像推送至远程镜像仓库，是如何保存的呢?Docker 客户端是如何与远程镜像仓库交互的呢?
我们平时本地安装的 Docker 其实包含两部分：docker client 与 docker engine，docker client 与 docker engine 间通过 API 进行通信。Docker engine 提供的 API 大致有认证、容器、镜像、网络、卷、swarm 等，具体调用形式请参考：Docker Engine API(https://docs.docker.com/engine/api/v1.27/#)。
Docker engine 与 registry (即：远程镜像仓库)的通信也有一套完整的 API，大致包含 pull、push 镜像所涉及的认证、授权、镜像存储等相关流程，具体请参考：Registry API(https://github.com/docker/distribution/blob/master/docs/spec/api.md)。目前常用 Registry 版本为 v2，Registry v2 拥有断点续传、并发拉取镜像多层等特点。能并发拉取多层是因为镜像的元信息与镜像层数据分开存储，当 pull 一个镜像时，先进行认证获取到 token 并授权通过，然后获取镜像的 manifest 文件，进行 signature 校验。校验完成后，依据 manifest 里的层信息并发拉取各层。其中 manifest 包含的信息有：仓库名称、tag、镜像层 digest 等， 更多，请参考：manifest 格式文档(https://github.com/docker/distribution/blob/master/docs/spec/manifest-v2-1.md)。
各层拉下来后，也会先在本地进行校验，校验算法采用 sha256。Push 过程则先将镜像各层并发推至 Registry，推送完成后，再将镜像的 manifest 推至 Registry。Registry 其实并不负责具体的存储工作，具体存储介质根据使用方来定，Registry 只是提供一套标准的存储驱动接口，具体存储驱动实现由使用方实现。