Docker - 镜像分层和缓存

Docker 镜像层是 Docker 架构的基本组成部分，是 Docker 镜像的构建块。每个镜像层都是 Dockerfile 中的一条指令，是一个添加到最终镜像中的只读层。

在基础层之后——通常是像 Ubuntu 这样的操作系统——会添加更多层。这些层包括应用程序代码、环境设置和软件安装等等。

Docker 使用联合文件系统来维护每个层之间的隔离性和不变性，使它们能够堆叠并显示为单个文件系统。分层带来了显著的效率和可重用性优势。Docker 通过层缓存来确保各种镜像共享的公共层得到重用，从而减少构建时间和存储需求。

此外，由于这种层缓存，镜像分发也更高效，因为在更新期间只需要传输新添加的层。此外，层的不可变性确保一旦创建了一个层，它就不会改变，简化了版本控制并保证了跨不同环境的一致性。

Docker 镜像层的组成部分

Docker 镜像中的每一层都代表从 Dockerfile 中提取的一组指令。这些层分为三组：基础层、中间层和顶层。每一组在创建镜像的过程中都有其特定的作用。

基础层

基础层构成了 Docker 镜像的基础，通常包含支持应用程序所需的最小操作系统或运行时环境。它通常基于一个现有的镜像，例如 node、alpine 或 Linux。这个层至关重要，因为它为所有后续层的功能奠定了基础。

基础层通常包含许多应用程序共享的必要库和依赖项，以提供标准化的起点。通过确保应用程序拥有可靠且一致的基础镜像，开发人员可以简化跨不同环境的开发和部署过程。

中间层

中间层是在基础层之上添加的层。每个中间层都与 Dockerfile 中的一条指令相关联，例如 RUN、COPY 或 ADD。这些层包含某些应用程序依赖项、配置文件和其他补充基础层的必要元素。

安装软件包、将源代码复制到镜像或配置环境变量是可以在中间层执行的一些示例任务。

中间层需要逐步构建应用程序环境。由于每个层都是不可变的，添加或修改一个层会导致创建新的层，而不是更改现有层。由于每个层都是不可变的，因此提高了效率并减少了冗余，因为每个层在各种镜像中都是一致且可重用的。

顶层

顶层是 Docker 镜像中的最后一层，也称为应用程序层。此层包含实际的应用程序代码以及使其运行所需的任何最终设置。顶层结合了基础环境和中间层进行的小调整，从而创建了一个完整的可执行应用程序，它是之前所有层工作的最终结果。

顶层对于容器化应用程序是唯一的，用于区分不同的镜像。当镜像执行以创建容器时，运行时最直接交互的是顶层的内容。

Docker 镜像中的缓存层是什么？

为了最大限度地提高和加快 Docker 镜像的创建速度，缓存层是 Docker 镜像构建过程中一个重要的组成部分。它们旨在尽可能重用以前构建的层。此机制可以减少定期创建 Docker 镜像所需的时间和计算能力，从而提高效率。

当你构建 Docker 镜像时，Docker 会依次执行 Dockerfile 中的每个命令。对于每个命令，Docker 都会检查该指令是否曾经在相同的上下文环境下执行过。如果是，Docker 不需要创建新的层——它可以重用已经创建的层。这个过程称为“**层缓存**”。通过使用 Docker 跳过没有更改的步骤，因为缓存层包含构建过程中创建的所有中间层，可以大大加快构建过程。

缓存层是如何工作的？

**指令匹配** - Docker 在评估 Dockerfile 中的每个指令后，都会搜索与之匹配的缓存层。上下文——例如 COPY 指令中包含的文件或 RUN 指令中的精确命令——以及指令本身决定了两个指令是否匹配。

**层重用** - 如果 Docker 在其缓存中发现匹配项，它会重用现有层，而不是构建新层。因此，Docker 避免重复指令，从而节省时间和资源。

**缓存失效** - 当指令的上下文发生更改时，就会发生缓存失效。例如，如果 COPY 指令中使用的一个文件发生更改，并且找不到匹配的缓存层，则 Docker 必须重新构建该层以及所有后续层。

缓存层的优势

**构建速度** - 构建时间的缩短似乎是主要优势。Docker 可以通过重用现有层来显著加快构建过程，尤其对于具有许多层的较大的镜像。

**资源效率** - 重用层可以最大限度地减少需要处理和存储的数据量，并节省计算资源。

**一致性** - 通过重用已经过测试和验证的层，缓存层可以确保构建的一致性，并降低在重新构建期间引入新错误的风险。

缓存层：限制和注意事项

虽然缓存层提供了许多好处，但它们也有一些限制 -

**缓存大小** - 缓存可能会占用大量磁盘空间，并且有效管理缓存可能很困难。虽然缓存层有很多优点，但它也有一些缺点。

**缓存失效** - Dockerfile 或构建上下文发生更改可能需要从头开始重新构建层。

**安全** - 过度依赖缓存层而不进行验证，如果重用了旧的或不安全的层，可能会危及用户信息。

最大限度地提高 Dockerfile 中层缓存的技巧

最大限度地提高 Dockerfile 中层缓存的关键在于确保很少更改的命令组合在一起，并将对早期层的更改降到最低。通过这种技术，Docker 可以在未来的构建中重用尽可能多的层。为了获得最佳的层缓存，以下是 Dockerfile 结构的推荐实践 -

使用稳定的基础镜像

选择一个稳定且维护良好的镜像作为 Dockerfile 的基础镜像。这有助于在构建之间保持基础层的一致性。

FROM ubuntu:20.04

按易变性对指令进行分组和排序

按指令更改的频率对其进行排序，从最少更改的开始。这样，即使 Dockerfile 更新，Docker 也能缓存更多层。

一起安装依赖项

为了最小化层数并确保这些命令被缓存为单个层，请将包安装命令组合在一起。

RUN apt-get update && apt-get install -y \
   curl \
   vim \
   git \
   && apt-get clean

分离应用程序代码和依赖项

在单独的指令中添加应用程序代码和依赖项。这样，代码的更新不会导致依赖项缓存失效。

# Install application dependencies
COPY requirements.txt /app/
RUN pip install --no-cache-dir -r /app/requirements.txt

# Copy application code
COPY . /app

使用多阶段构建

为了使最终镜像精简且不包含额外的层，请使用多阶段构建。中间阶段可以创建工件和缓存依赖项。

# Build stage
FROM golang:1.16 as builder
WORKDIR /app
COPY . .
RUN go build -o myapp

# Final stage
FROM alpine:3.13
COPY --from=builder /app/myapp /usr/local/bin/myapp
CMD ["myapp"]

最小化层数

必要时组合命令以最小化层数。

RUN apt-get update && \
   apt-get install -y curl vim git && \
   apt-get clean

使用 .dockerignore 文件

如果任何文件或目录对镜像不是必需的，请将其排除在外，以避免在这些文件更改时缓存失效。

# .dockerignore
.git
node_modules
dist
Dockerfile

显式版本控制

如果任何文件或目录对镜像不是必需的，请将其排除在外，以避免在这些文件更改时缓存失效。安装包时使用特定版本，以确保即使包的最新版本更改，也能使用缓存。

RUN apt-get install -y nodejs=14.16.0-1nodesource1

Dockerfile 示例

这是一个包含这些实践的 Dockerfile 示例 -

# Base image
FROM python:3.9-slim

# Install dependencies
RUN apt-get update && apt-get install -y \
   build-essential \
   libssl-dev \
   libffi-dev \
   python3-dev \
   && apt-get clean

# Copy and install Python dependencies
COPY requirements.txt /app/
RUN pip install --no-cache-dir -r /app/requirements.txt

# Copy application code
COPY . /app

# Set the working directory
WORKDIR /app

# Set the entry point
CMD ["python", "app.py"]

遵守这些指南，您可以优化 Docker 的层缓存，以实现更快的构建和更经济的资源使用。

结论

总而言之，为了最大限度地发挥容器化的优势——例如更快的构建、更有效的资源利用和可靠的应用程序部署——对 Docker 镜像进行分层和缓存至关重要。

开发人员可以通过利用 Docker 镜像的分层结构并仔细组织 Dockerfile 来优化层缓存，最小化构建时间并提高缓存层的可重用性。

层缓存优化最佳实践包括使用多阶段构建、使用稳定的基础镜像、根据易变性对指令进行分类和排序以及分离应用程序代码和依赖项。

通过仔细评估这些方法，Docker 用户可以提高工作流程的效率，优化其开发流程，并创建更可靠和可扩展的容器化应用程序。

常见问题

Q1. 如何优化 Dockerfile 以获得更好的层缓存？

为了优化 Dockerfile 并更好地利用层缓存，务必组织指令以最大限度地减少对早期层的修改，并将那些不经常更改的命令组合在一起。在创建稳定的基础镜像后，请按更改频率递减的顺序排列指令。

为避免代码更改导致缓存失效，请将应用程序代码和依赖项分开。使用多阶段构建来减少冗余层并保持精简的最终镜像。最后，为了即使在软件包版本更改时也能保持缓存的可重用性，请在安装软件包时使用显式版本。

Q2. Docker 层缓存的局限性是什么？

尽管 Docker 层缓存有很多优点，但它并非没有缺点。构建上下文或 Dockerfile 指令的更改可能会导致缓存失效，这可能会导致构建时间增加，因为 Docker 会从头开始重建层。由于缓存层会占用磁盘空间，因此难以控制缓存大小，可能需要定期清理以释放存储空间。

此外，过度依赖缓存层而没有充分验证，可能会重用过时或有漏洞的层，从而带来安全风险。

Q3. 如何排查与层缓存相关的 Docker 构建问题？

如果遇到与层缓存相关的 Docker 构建问题，请首先分析构建日志以检测任何缓存未命中或缓存失效消息。查找构建上下文或 Dockerfile 指令中的修改，这些修改可能导致缓存失效。

评估 Dockerfile 结构，以验证它是否符合增强层缓存效率的最佳实践。尝试不同的 Dockerfile 设置，例如重新排序指令或重新排列命令，以查看它们是否能提高缓存效率。

最后，请参考 Docker 文档和社区论坛以获取进一步的故障排除指导和建议。

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