Docker简明教程

在公司部署算法模型时会涉及到的Docker的使用，于是抽时间整理一些资料，供自己使用。

Docker简介

Docker是一种开源的容器化平台，它使得开发者和系统管理员可以轻松地创建、部署和运行应用程序。Docker使用容器来隔离应用程序和其环境，解决了“在我的机器上可以运行，但在其他地方不行”的问题。以下是Docker的一些核心概念和特点：

核心概念

• 容器：容器是一个轻量级、可移植、自给自足的软件运行环境。它允许应用程序在几乎任何计算环境中运行，而与基础架构无关。容器类似于虚拟机，但更加灵活和高效。
• 镜像：Docker镜像是一个轻量级的、独立的、可执行的软件包，包含运行应用程序所需的一切：代码、运行时、库、环境变量和配置文件。
• Dockerfile：Dockerfile是一个文本文件，包含了创建Docker镜像的命令。开发者可以通过Dockerfile定义应用程序的环境，使其在任何地方都能以相同的方式运行。
• Docker Hub：Docker Hub是一个服务，允许用户共享和下载Docker镜像。它是Docker生态系统的中心部分，提供了一个集中的资源交换平台。
• Docker Compose：Docker Compose是一个工具，用于定义和运行多容器Docker应用程序。通过Compose，你可以使用一个YAML文件来配置应用程序的服务。

特点

• 可移植性：Docker确保应用程序在任何环境中都能以同样的方式运行。
• 轻量级：容器利用并共享主机内核，不需要像虚拟机那样为每个应用程序提供一个操作系统。
• 微服务架构：Docker支持微服务架构，使得应用程序可以被分解为小的、独立的服务。
• 持续集成和持续部署：Docker与现代CI/CD流程兼容，加快了软件开发和部署的速度。

使用场景

• 开发和测试：Docker为开发和测试提供了一致的环境，确保应用程序在不同环境中的一致性。
• 简化配置：Docker简化了配置过程，开发者只需关注容器内的应用程序。
• 快速部署和扩展：Docker容器可以快速启动和停止，这对于自动扩展和效率至关重要。

工作流程

• 开发：开发者在本地创建和测试容器。
• 构建：使用Dockerfile构建镜像并存储于注册中心。
• 运行：从注册中心拉取镜像并在生产环境中运行为容器。

Docker的这些特点使其成为当今开发和运维领域的一个重要工具，特别适用于追求快速、一致和可靠的软件部署和运行的场景。

Docker原理

Docker架构

Docker的架构是基于客户端-服务器模型的，由以下几个主要部分组成：

• Docker Daemon（守护进程）：负责管理Docker对象，如镜像、容器、网络和卷。Docker Daemon监听Docker API请求，并管理Docker服务。通常在宿主机上运行。
• Docker Client（客户端）：用户与Docker交互的主要方式。当用户使用Docker命令时，Docker Client会发送这些命令到Docker Daemon，Docker Daemon随后执行这些命令。Docker Client可以在同一系统上的Docker Daemon上运行，也可以通过配置连接到远程Docker Daemon。
• Docker Registries（注册中心）：存储Docker镜像。Docker Hub是公共的注册中心，用户可以从中拉取（pull）镜像或推送（push）镜像。注册中心既可以是公共的（如Docker Hub），也可以是私有的。

Docker对象

Docker对象是Docker技术的基本构建块，主要包括容器、镜像、网络和卷等。这些对象是使用Docker时经常互动和操作的核心元素。下面详细介绍这些对象：

容器（Containers）

• 定义：容器是Docker的基本运行单元，是一个轻量级、可执行的独立环境，用于运行应用程序和其依赖。
• 特点：容器是从镜像创建的实例。它们可以被启动、开始、停止、移动和删除。每个容器都是相互隔离的、保证安全的平台。

镜像（Images）

• 定义：镜像是一个轻量级、独立的、可执行的软件包，包含运行一个应用程序所需的所有内容：代码、运行时、库、环境变量和配置文件。
• 作用：镜像用于创建Docker容器。通常，一个镜像基于另一个镜像，但包含一些额外的定制化。

网络（Networks）

• 定义：Docker网络是一种连接Docker容器的方式，以便它们可以互相沟通。
• 类型：Docker提供多种网络类型（如bridge、host、overlay等），用于处理不同的网络需求。

卷（Volumes）

• 定义：卷是Docker用于数据持久化的机制。
• 作用：容器内的数据在默认情况下是临时的，当容器被删除时，这些数据也会丢失。卷允许你将容器内的数据持久化或共享数据。

Dockerfile

• 定义：Dockerfile是一个文本文件，包含了一系列的指令，用来定义如何构建一个Docker镜像。
• 作用：通过Dockerfile，可以自动化镜像的构建过程。

Docker Compose文件

• 定义：Docker Compose文件通常是一个YAML文件，用于定义多容器Docker应用程序。
• 作用：它允许你使用一个文件来配置应用程序的服务，使得服务的部署更加简化和可重复。

通过这些对象，Docker提供了一个完整、灵活且强大的容器化平台，可以用来运行和管理应用程序和服务。

Docker镜像

Docker注册中心

Docker注册中心（Docker Registry）是用于存储和分发Docker镜像的服务。它是Docker生态系统中的关键组件之一，让用户可以轻松地分享、存储和管理Docker镜像。

注册中心分公有与私有，最著名的公共Docker注册中心是Docker Hub。

Docker Hub

Docker Hub是Docker的官方公共注册中心，提供了一个广泛的Docker镜像库。它是Docker用户最常用的平台之一，用于发现、共享和管理Docker镜像。安装好Docker/Docker Desktop后，其registry server是默认指向https://hub.docker.com的。在国内该hub源访问速度异常慢，尤其是大一点的镜像经常出现timeout。幸运的是，我们可以通过切换至国内镜像仓库来解决这一问题。

国内镜像推荐：

• 中科院软件所镜像站：https://docker.nju.edu.cn/

修改方法：修改配置文件daemon.json，增加或修改如下内容：

{
  "registry-mirrors": [
    "https://docker.nju.edu.cn/"
  ]
}

配置文件所在位置：

• Linux: /etc/docker/daemon.json
• Windows: %USERPROFILE%\.docker\daemon.json 或者 %programdata%\Docker\config\daemon.json
• MacOS: ~/.docker/daemon.json

如果使用的Docker Desktop，那就更好办了，只需要在配置界面找到Docker Engine选项，修改之后然后点击Apply & Restart按钮，即可生效。

镜像的拉取与推送

Docker镜像的拉取（pull）和推送（push）是Docker生态系统中的两个基本操作，它们使得用户能够从Docker注册中心下载镜像以及上传镜像到注册中心。下面是这两个操作的详细介绍：

镜像拉取（Pull）

拉取操作是从Docker注册中心下载镜像到本地环境的过程。这通常发生在用户需要在本地创建容器之前。

• 命令：使用 docker pull [镜像名称] 命令来拉取镜像。例如，docker pull nginx 将从Docker Hub拉取最新的nginx镜像。
• 标签：可以指定镜像的标签来拉取特定版本的镜像，如 docker pull nginx:1.17。
• 默认注册中心：如果没有指定注册中心，默认会从Docker Hub拉取镜像。
• 过程：Docker会检查本地是否已有该镜像及其层。如果本地不存在，Docker会从注册中心下载镜像及其必要的层。

镜像推送（Push）

推送操作是将本地的Docker镜像上传到Docker注册中心的过程。这通常发生在用户构建了新镜像或修改了现有镜像后。

• 命令：使用 docker push [镜像名称] 命令来推送镜像。例如，docker push myimage:latest 将上传名为 myimage 的镜像。
• 标签：在推送前，需要给镜像打上标签，标签通常包含版本信息或其他描述信息。
• 认证：在推送到私有注册中心或Docker Hub的私有存储库时，需要进行用户认证。
• 过程：Docker会上传镜像的所有新层到注册中心。如果某些层已存在于注册中心，Docker会跳过这些层，只上传缺失的层。

镜像的构建

Docker镜像的构建是一个将应用及其依赖环境打包成一个镜像的过程。这个过程通常是通过一个名为 Dockerfile 的文本文件来完成的。

Docker镜像是由多个层(layer)构成的。每执行一条 Dockerfile 指令，就会创建一个新的层。这种层叠的方式使得镜像构建、存储和传输更为高效。共同的层可以在多个镜像间共享。在构建过程中，Docker会重用之前构建的层，如果没有发生变化的话。这大大加快了构建过程，尤其是在进行小改动或频繁构建时。

构建步骤

• 选择基础镜像：从一个已有的镜像开始构建，通常是一个最小化的操作系统，如 ubuntu 或 alpine。
• 安装软件和依赖：通过运行安装命令来安装所需的软件包和依赖。
• 添加应用代码：将应用代码添加到镜像中，通常是通过 COPY 或 ADD 指令。
• 设置环境变量：配置运行应用所需的环境变量。
• 声明暴露端口：使用 EXPOSE 指令声明应用运行时需要暴露的端口。
• 指定启动命令：用 CMD 或 ENTRYPOINT 指令指定容器启动时运行的命令。

构建命令

• 命令：使用 docker build 命令来根据 Dockerfile 创建镜像。
• 标记：通常会使用 -t 参数来为新建的镜像标记一个名称和标签。

构建示例

以下是一个简单的 Dockerfile 示例，用于构建一个运行Python Flask应用的Docker镜像。

示例 Dockerfile：

# 使用官方Python运行时作为父镜像
FROM python:3.8-slim

# 设置工作目录
WORKDIR /app

# 将当前目录内容复制到工作目录内
COPY . /app

# 安装Python依赖
RUN pip install --no-cache-dir -r requirements.txt

# 使端口80可供此容器外的环境使用
EXPOSE 80

# 定义环境变量
ENV NAME World

# 在容器启动时运行app.py
CMD ["python", "app.py"]

解释

• FROM: 指定基础镜像。在这个例子中，我们使用Python 3.8的官方镜像。
• WORKDIR: 设置工作目录为 /app。这是后续命令的执行目录。
• COPY: 将当前目录下的文件复制到容器的 /app 目录。
• RUN: 执行命令安装依赖。这里使用 pip 安装txt 文件中列出的Python包。
• EXPOSE: 声明容器运行时需要暴露的端口。这里暴露80端口。
• ENV: 设置一个环境变量。这里设置 NAME 为 “World”。
• CMD: 指定容器启动时执行的命令。这里当容器启动时运行py。

构建和运行镜像

构建镜像：docker build -t my-python-app .

这个命令会根据 Dockerfile 在当前目录下构建一个新的镜像，并标记为 my-python-app。

运行容器：docker run -p 4000:80 my-python-app

这个命令启动一个新的容器，将容器的80端口映射到主机的4000端口。这样就可以通过访问主机的4000端口来访问容器中的应用。

Dockerfile命令

Dockerfile 中的命令用于指定如何构建Docker镜像，每个命令都有特定的作用和用法。以下是一些常用的Dockerfile命令：

• FROM: 指定基础镜像，所有后续操作都基于这个镜像进行。
• RUN: 执行命令行命令，常用于安装软件包、创建目录等。
• CMD: 提供容器启动时执行的默认命令，只能出现一次。如果用户启动容器时指定了其他命令，CMD命令将被忽略。
• LABEL: 添加元数据，如作者、版本、描述等。
• EXPOSE: 声明容器运行时监听的端口。
• ENV: 设置环境变量。
• ADD: 复制文件、目录或远程文件URL到镜像中，也可以解压缩本地的 .tar 文件。
• COPY: 复制新文件或目录到镜像中。
• ENTRYPOINT: 配置容器启动时运行的命令，可以与CMD命令联合使用来设置默认参数。
• VOLUME: 创建挂载点目录，并标记出应挂载的外部目录。
• USER: 设置运行容器时的用户名或UID。
• WORKDIR: 设置工作目录，如果目录不存在，Docker会自动创建它。
• ARG: 定义构建时的变量，可以在构建时通过 docker build –build-arg <varname>=<value> 来设置。
• ONBUILD: 设置当镜像被用作其他构建的基础时触发的命令。
• STOPSIGNAL: 设置停止容器时发送什么系统调用信号给容器。
• HEALTHCHECK: 告诉Docker如何测试容器是否仍在运行正常。
• SHELL: 设置执行命令时使用的默认shell。

Docker容器管理

Docker容器管理涉及容器的创建、运行、监控、停止和删除等多种操作。以下是一些基本的Docker容器管理命令和概念：

容器的创建

docker run 是 Docker 中最常用的命令之一，用于创建并启动一个新容器。这个命令具有多种参数，可以用来定制容器的行为。以下是一些常用的 docker run 参数：

基本参数

• -d：分离模式。在后台运行容器。
• –name [容器名称]：为容器指定一个名称。
• –rm：容器退出时自动清理容器文件系统。

资源分配

• -m 或 –memory [内存限制]：限制容器使用的内存总量。
• –cpus [CPU数]：限制容器使用的CPU数量。

网络相关

• -p [主机端口]:[容器端口]：将容器的端口映射到主机的端口。
• –network [网络类型]：指定容器的网络类型。比较常用的为bridge和host
  • bridge（桥接网络），当你运行一个没有指定网络的容器时，它会自动连接到这个默认的桥接网络。适用于运行独立容器或者需要通信的容器组。
  • host（主机网络），移除了网络隔离，容器直接使用宿主机的网络。适用于需要直接访问宿主机网络的容器。比如性能要求高的场景。

卷挂载

• -v [主机目录]:[容器目录]：将主机上的目录或卷挂载到容器中。
• –mount type=[类型],source=[源],target=[目标]：更为复杂的挂载方式。

环境变量

• -e [环境变量] 或 –env [环境变量]：设置容器中的环境变量。

容器行为

• –entrypoint：覆盖镜像默认的入口点。
• –restart [重启策略]：设置容器的重启策略。

交互式操作

• -i：交互模式。保持STDIN开放，即使没有附加。
• -t：分配一个伪终端。

一个常见的 docker run 命令示例可能是这样的：

docker run -d -p 80:80 –name webserver -v /mydata:/data nginx

这条命令将创建并运行一个新的容器，使用名为 nginx 的镜像，以分离模式运行，容器名称设置为 webserver。它还将容器的80端口映射到主机的80端口，并将主机上的 /mydata 目录挂载到容器的 /data 目录。

docker run 命令的选项非常多，可以通过 docker run –help 查看更多选项和详细信息。

容器的管理

# 查看容器
docker ps：列出正在运行的容器。
docker ps -a：列出所有容器，包括未运行的。
# 停止和启动容器
docker stop [容器ID或名称]：停止一个正在运行的容器。
docker start [容器ID或名称]：启动一个已停止的容器。
# 删除容器
docker rm [容器ID或名称]：删除一个已停止的容器。要删除运行中的容器，可以使用 -f 选项强制删除。
# 进入容器
docker exec -it [容器ID或名称] /bin/bash：在运行中的容器内启动一个交互式的Shell。
# 查看容器日志
docker logs [容器ID或名称]：查看容器的输出，帮助调试和监控容器行为。
# 容器监控
使用 docker stats 查看容器的实时性能数据，如CPU、内存使用情况等。
# 容器间的交互
通过Docker网络功能，容器可以相互通信。使用 docker network 命令来管理容器的网络。

Docker Compose

Docker Compose 是一个用于定义和运行多容器Docker应用的工具。它使用一个配置文件来定义多个容器及其配置，使得部署和管理容器化应用变得更加简单和高效。以下是Docker Compose的主要特点和功能：

配置文件

• docker-compose.yml：Compose使用YAML文件来配置应用服务。在这个文件中，你可以配置所需的服务、网络和卷。

一键部署

• 启动多个容器：使用一个命令 docker-compose up，就可以同时启动配置文件中定义的所有服务。
• 依赖管理：Compose可以管理服务之间的依赖关系，确保服务按正确的顺序启动。

服务定义

• 服务：在Compose中，服务是应用的不同组成部分。例如，一个web应用可能包含web服务、数据库服务和缓存服务。
• 可扩展性：可以轻松地扩展服务的实例数量。

网络和卷管理

• 网络：Compose允许定义和使用自定义网络，便于容器间通信。
• 卷：支持定义持久化存储卷，用于数据保存和共享。

开发环境

• 环境隔离：每个Compose项目都在自己的环境中运行，避免不同项目间的冲突。
• 开发效率：对于开发环境，Compose使得启动和停止服务变得非常简单，有利于开发和测试。

兼容性

• Docker兼容性：Compose完全兼容Docker命令，易于与现有Docker工作流集成。
• 应用场景
• 开发和测试：非常适合本地开发和测试。
• 小型生产部署：虽然主要用于开发和测试，但也可以用于小型的生产环境。

案例：

version: '3'
services:
  web:
    build: .
    ports:
     - "5000:5000"
  redis:
    image: "redis:alpine"

在这个例子中，定义了两个服务：web 和 redis。web 服务通过 build: . 从当前目录的 Dockerfile 构建镜像，并将容器的5000端口映射到主机的5000端口。redis 服务则直接使用了Docker Hub上的 redis:alpine 镜像。