docker_practice/02_basic_concept/2.1_image.md

2.1 镜像

版本说明：本节示例基于 Docker v29.x 编写。示例中使用的镜像标签（如 ubuntu:24.04、nginx:latest）为演示用途，建议查阅 Docker Hub 或相应镜像的官方页面确认最新可用版本。

Docker 镜像作为容器运行的基石，其设计理念和实现机制至关重要。本节将深入探讨镜像的本质、与操作系统的关系、内容构成以及核心的分层存储机制。

2.1.1 一句话理解镜像

Docker 镜像是一个只读的模板，包含了运行应用所需的一切：代码、运行时、库、环境变量和配置文件。 如果用一个类比：镜像就像是一张光盘或 ISO 文件。你可以用同一张光盘在不同电脑上安装系统，而光盘本身不会被修改。同样，一个镜像可以创建多个容器，而镜像本身保持不变。

2.1.2 镜像与操作系统的关系

我们都知道，操作系统分为 内核 和 用户空间：

flowchart TD
    subgraph UserSpace ["用户空间"]
        direction TB
        App["应用程序、工具、库、配置文件...<br/>（这部分被打包成 Docker 镜像）"]
    end

    subgraph KernelSpace ["Linux 内核"]
        direction TB
        Kernel["容器共享宿主机的内核"]
    end

    UserSpace --- KernelSpace

对于 Linux 而言，内核启动后会挂载 root 文件系统来提供用户空间支持。Docker 镜像 本质上就是一个 root 文件系统。

例如，官方镜像 ubuntu:24.04 包含了一套完整的 Ubuntu 24.04 最小系统的 root 文件系统——但 不包含 Linux 内核（因为容器共享宿主机的内核）。

2.1.3 镜像包含什么？

Docker 镜像是一个特殊的文件系统，包含：

内容类型	示例
程序文件	应用二进制文件、Python/Node 解释器
库文件	libc、OpenSSL、各种依赖库
配置文件	nginx.conf、my.cnf 等
环境变量	PATH、LANG 等预设值
元数据	启动命令、暴露端口、数据卷定义

关键特性：

• ✅ 镜像是 只读 的
• ✅ 镜像 不包含 动态数据
• ✅ 镜像构建后 内容不会改变

2.1.4 分层存储：镜像的核心设计

镜像的分层存储机制是 Docker 最具创新性的特性之一。通过 Union FS 技术，Docker 能够高效地构建和管理镜像。

为什么需要分层？

笔者认为，分层存储是 Docker 最巧妙的设计之一。

假设你有三个应用，都基于 Ubuntu 运行：

flowchart TD
    subgraph Traditional ["传统方式（不分层）总计: 1.5GB ❌"]
        direction LR
        AppA_Trad["App A<br/>Ubuntu 500MB"]
        AppB_Trad["App B<br/>Ubuntu 500MB"]
        AppC_Trad["App C<br/>Ubuntu 500MB"]
    end

    subgraph DockerLayered ["Docker 分层方式 总计: 620MB ✅"]
        direction TB
        subgraph Apps ["应用层"]
            direction LR
            AppA["App A 50MB"]
            AppB["App B 30MB"]
            AppC["App C 40MB"]
        end
        Ubuntu["Ubuntu<br/>（共享）500MB"]

        AppA --> Ubuntu
        AppB --> Ubuntu
        AppC --> Ubuntu
    end

分层是如何工作的？

笔者用一个更贴近最佳实践的 Dockerfile 来解释分层：

FROM ubuntu:24.04                              # 第 1 层：基础系统（约 78MB）
RUN apt-get update && apt-get install -y nginx # 第 2 层：更新索引并安装 nginx
COPY app.conf /etc/nginx/                      # 第 3 层：复制配置文件

这里特意把 apt-get update 和 apt-get install 放在同一个 RUN 里，避免构建缓存导致包索引过期。

构建后的镜像结构：

flowchart TD
    Layer3["第 3 层: COPY app.conf (只读)<br/>← 最新添加的层"]
    Layer2["第 2 层: nginx 安装文件与包索引 (只读)"]
    Layer1["第 1 层: Ubuntu 基础系统 (只读)<br/>← 基础镜像层"]

    Layer3 --> Layer2 --> Layer1

每一层的特点：

• 只读：构建完成后不可修改
• 可共享：多个镜像可以共享相同的层
• 有缓存：未变化的层不会重新构建

分层存储的 “陷阱”

⚠️ 笔者特别提醒：理解这一点可以帮你避免构建出臃肿的镜像。关键原理：每一层的文件变化会被记录，但 删除操作只是标记，不会真正减小镜像体积。

## 错误示范 ❌

FROM ubuntu:24.04
RUN apt-get update
RUN apt-get install -y build-essential  # 安装编译工具（约 200MB）
RUN make && make install                  # 编译应用
RUN apt-get remove build-essential        # 试图删除编译工具

## 结果：镜像仍然包含 200MB 的编译工具！

## 正确做法 ✅

FROM ubuntu:24.04
RUN apt-get update && \
    apt-get install -y build-essential && \
    make && make install && \
    apt-get remove -y build-essential && \
    apt-get autoremove -y && \
    rm -rf /var/lib/apt/lists/*

## 在同一层完成安装、使用、清理

2.1.5 查看镜像的构建历史

## 查看镜像的历史（每层的构建记录）

$ docker history nginx:latest

IMAGE          CREATED       CREATED BY                                      SIZE
a6bd71f48f68   2 weeks ago   CMD ["nginx" "-g" "daemon off;"]                0B
<missing>      2 weeks ago   STOPSIGNAL SIGQUIT                              0B
<missing>      2 weeks ago   EXPOSE map[80/tcp:{}]                           0B
<missing>      2 weeks ago   ENTRYPOINT ["/docker-entrypoint.sh"]            0B
<missing>      2 weeks ago   COPY 30-tune-worker-processes.sh /docker-ent…   4.62kB
...

需要注意：docker history 展示的是镜像的构建历史。像 CMD、ENTRYPOINT、EXPOSE、STOPSIGNAL 这类 0B 项主要是镜像配置元数据，并不等同于新增了可见的文件系统内容；真正占用空间的通常是 RUN、COPY、ADD 等带来的文件变化。

2.1.6 镜像的标识

Docker 镜像有多种标识方式：

1. 镜像名称和标签

格式：[仓库地址/]仓库名[:标签]

## 完整格式

registry.example.com/myproject/myapp:v1.2.3

## 简写（使用 Docker Hub）

nginx:1.28
ubuntu:24.04

## 省略标签（默认使用 latest）

nginx  # 等同于 nginx:latest

2. 镜像 ID：Content-Addressable 标识

每个镜像有一个基于内容计算的唯一 ID：

$ docker images
REPOSITORY   TAG       IMAGE ID       CREATED        SIZE
nginx        latest    a6bd71f48f68   2 weeks ago    187MB
ubuntu       24.04     ca2b0f26964c   3 weeks ago    78.1MB

3. 镜像摘要

更精确的标识，基于镜像内容的 SHA256 哈希：

$ docker images --digests
REPOSITORY  TAG     DIGEST                                                                    IMAGE ID
nginx       latest  sha256:6db391d1c0cfb30588ba0bf72ea999404f2764184d8b8d10d89e8a9c6... a6bd71f48f68

💡 笔者建议：在生产环境使用镜像摘要而非标签，因为标签可以被覆盖，但摘要是不可变的。

2.1.7 镜像的来源

Docker 镜像可以通过以下方式获取：

方式	说明	示例
从 Registry 拉取	最常用的方式	docker pull nginx
从 Dockerfile 构建	自定义镜像	docker build -t myapp .
从容器提交	保存容器状态（不推荐）	docker commit
从文件导入	离线传输	docker load < image.tar