## 12.1 基本架构

Docker 的架构设计简洁而高效，主要由客户端和服务端两部分组成。

### 12.1.1 核心架构图

Docker 采用了 **C/S (客户端/服务端)** 架构。Client 向 Daemon 发送请求，Daemon 负责构建、运行和分发容器。

```mermaid
graph LR
  C1["客户端"] -->|docker run| D["dockerd<br/>守护进程"]
  C1 -->|docker pull| D
  D -->|管理| C2["Containers<br/>容器"]
  D -->|管理| C3["Images<br/>镜像"]
```
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### 12.1.2 组件详解

Docker 的内部架构如同洋葱一样分层，每一层专注解决特定问题：

#### 1. Docker CLI：客户端

用户与 Docker 交互的主要方式。它将用户命令 (如 `docker run`) 转换为 API 请求发送给 dockerd。

#### 2. Dockerd：守护进程

Docker 的大脑。

- 监听 API 请求
- 管理 Docker 对象 (镜像、容器、网络、卷)
- 编排下层组件完成工作

#### 3. Containerd：高级运行时

行业标准的容器运行时 (CNCF 毕业项目)。

- 管理容器的完整生命周期 (启动、停止)
- 镜像拉取与存储
- **不包含** 复杂的与容器无关的功能 (如构建、API)
- Kubernetes 也可以直接使用 containerd (跳过 Docker)

#### 4. Runc：低级运行时

用于创建和运行容器的 CLI 工具。

- 直接与内核交互 (Namespaces，Cgroups)
- 遵循 OCI (Open Container Initiative) 规范
- **主要职责**：根据配置启动一个容器，然后退出 (将控制权交给容器进程)

#### 5. Shim

每个容器都有一个 shim 进程。

- **解耦**：允许 dockerd 重启而不影响容器运行
- **保持 IO**：维持容器的标准输入输出
- **状态汇报**：向 containerd 汇报容器退出状态

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### 12.1.3 容器启动流程

当执行 `docker run -d nginx` 时，内部发生了什么？

```mermaid
flowchart TD
  U["用户"]
  K["docker run -d nginx"]
  D["Dockerd"]
  C["Containerd"]
  B["OCI Bundle"]
  S["Containerd-shim"]
  R["Runc"]
  P["容器进程<br/>nginx"]
  E["退出"]

  U -->|1. REST API| D
  K -->|2. gRPC| C
  C -->|3. 准备镜像和 Bundle| B
  C -->|4. 启动 Shim| S
  S -->|5. 执行| R
  R -->|6. 创建 Namespaces 和 Cgroups| P
  R -->|7. 进程退出| E
  S -->|8. 监控 IO 和退出| P
```

1. **CLI** 发送请求给 **Dockerd**
2. **Dockerd** 解析请求，调用 **Containerd**
3. **Containerd** 准备镜像，转换为 OCI Bundle
4. **Containerd** 创建 **Shim** 进程
5. **Shim** 调用 **Runc**
6. **Runc** 与系统内核交互，创建 Namespaces 和 Cgroups
7. **Runc** 启动 nginx 进程后退出
8. **Shim** 接管容器 IO 和生命周期监控

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### 12.1.4 Docker Engine v29.x 变化

从 Docker Engine v29.x 开始，架构进一步简化和标准化：

- **Containerd 镜像存储 (Image Store)**：在 v29.x 的新安装场景中默认启用。Docker 直接使用 Containerd 的镜像管理能力，不再维护自己的一套 graphdriver。
  - **优势**：多平台镜像支持更好、镜像拉取更快 (lazy pulling)、与 K8s 共享镜像。
- **实验性 nftables 支持**：随着主流 Linux 发行版逐步弃用 iptables，Docker v29.x 引入了实验性 nftables 后端。启用方式为 `dockerd --firewall-backend=nftables`，可直接创建 nftables 规则而无需依赖 iptables-nft 转换层。生产环境请谨慎使用。

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### 12.1.5 Docker Desktop 架构

在 macOS 和 Windows 上，因为内核差异，架构稍微复杂：

```mermaid
flowchart TD
    subgraph HostOS ["MacOS / Windows"]
        CLI["Docker CLI"]
        subgraph LinuxVM ["Linux VM (虚拟机)"]
            Engine["Dockerd <--> Containerd <--> Runc"]
        end
        CLI -- "(Socket 映射)" --> Engine
    end
```

- 使用轻量级虚拟机 (Apple Virtualization / WSL 2) 运行 Linux 内核
- 文件挂载 (Bind Mount) 需要跨越 VM 边界 (这也是文件 I/O 慢的原因)
- 网络端口需要从宿主机转发到 VM

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### 12.1.6 总结

| 组件 | 角色 | 关键职责 |
|------|------|----------|
| **CLI** | 指挥官 | 发送指令，展示结果 |
| **Dockerd** | 大管家 | API 接口，整体调度 |
| **Containerd** | 经理 | 容器生命周期，镜像管理 |
| **Shim** | 监工 | 保持 IO，允许无守护进程重启 |
| **Runc** | 工人 | 真正干活 (创建容器)，干完就走 |

### 12.1.7 延伸阅读

- [命名空间](./12.2_namespace.md)：Runc 如何隔离容器
- [控制组](./12.3_cgroups.md)：Runc 如何限制资源
- [联合文件系统](./12.4_ufs.md)：镜像如何存储
