2.2 Docker底层原理深度剖析：UnionFS、镜像层、容器层三层架构详解

2.2 Docker底层原理深度剖析：UnionFS、镜像层、容器层三层架构详解

引言

Docker的镜像和容器基于Union File System（联合文件系统）实现。理解UnionFS的工作原理，特别是镜像层、容器层的三层架构，是掌握Docker的关键。本文将深入剖析Docker的底层存储机制。

一、Union File System概述

1.1 什么是UnionFS

UnionFS是一种文件系统，允许将多个目录（分支）叠加在一起，形成一个统一的文件系统视图。

1.2 UnionFS的特点

• 叠加性：多个文件系统可以叠加
• 写时复制：修改时创建新文件
• 分层存储：支持只读层和可写层

二、Docker的三层架构

2.1 架构图

┌─────────────────────────────────────┐ │ 容器层 (Container Layer) │ ← 可写层 │ (可读写，生命周期短) │ ├─────────────────────────────────────┤ │ 镜像层 (Image Layers) │ ← 只读层 │ (只读，可复用) │ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ │ │ Layer 3 │ │ Layer 2 │ │ │ └──────────┘ └──────────┘ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ Layer 1 │ │ │ └──────────┘ │ ├─────────────────────────────────────┤ │ 基础层 (Base Layer) │ │ (操作系统基础) │ └─────────────────────────────────────┘

2.2 各层说明

1. 基础层：操作系统基础文件
2. 镜像层：应用程序和依赖，只读
3. 容器层：运行时的修改，可写

三、镜像层详解

3.1 镜像层的特点

• 只读：镜像层是只读的
• 共享：多个容器可以共享同一镜像层
• 增量：每层只包含相对于上一层的变更

3.2 查看镜像层

# 查看镜像历史dockerhistorynginx:latest# 查看镜像详细信息dockerinspect nginx:latest# 查看镜像层dockerimage inspect nginx:latest --format='{ {.RootFS.Layers}}'

3.3 镜像层存储位置

# 查看存储驱动dockerinfo|grep"Storage Driver"# Overlay2存储位置（Linux）/var/lib/docker/overlay2/# 查看镜像层目录结构ls-la /var/lib/docker/overlay2/

四、容器层详解

4.1 容器层的特点

• 可写：容器层是可读写的
• 临时：容器删除时，容器层也会删除
• 写时复制：修改文件时创建副本

4.2 容器层操作

# 在容器中创建文件dockerrun -it alpineshecho"test">/tmp/test.txt# 查看容器层变化dockerdiff<container_id># 提交容器层为新镜像dockercommit<container_id>myimage:latest

4.3 容器层存储

# 查看容器层dockerinspect<container_id>|grep-A10"GraphDriver"# Overlay2容器层位置/var/lib/docker/overlay2/<container_id>/

五、写时复制（Copy-on-Write）

5.1 CoW原理

当容器需要修改文件时：

1. 检查文件是否在容器层
2. 如果不在，从镜像层复制到容器层
3. 在容器层进行修改

5.2 CoW示例

# 创建容器dockerrun -d --nametestalpinesleep3600# 在容器中修改文件dockerexectestsh-c"echo 'modified' > /etc/hostname"# 查看变化dockerdifftest# 输出：C /etc (Changed)# A /etc/hostname (Added)

5.3 CoW性能影响

• 优点：节省存储空间，快速创建容器
• 缺点：首次写入有性能开销

六、存储驱动对比

6.1 常用存储驱动