Docker - 映象分層和快取

Docker 映象層是 Docker 架構的基本組成部分，是 Docker 映象的構建塊。每個映象層都是 Dockerfile 中的一條指令，是一個新增到最終映象中的只讀層。

在基礎層之後——通常是像 Ubuntu 這樣的作業系統——會新增更多層。這些層包括應用程式程式碼、環境設定和軟體安裝等等。

Docker 使用聯合檔案系統來維護每個層之間的隔離性和不變性，使它們能夠堆疊並顯示為單個檔案系統。分層帶來了顯著的效率和可重用性優勢。Docker 透過層快取來確保各種映象共享的公共層得到重用，從而減少構建時間和儲存需求。

此外，由於這種層快取，映象分發也更高效，因為在更新期間只需要傳輸新新增的層。此外，層的不可變性確保一旦建立了一個層，它就不會改變，簡化了版本控制並保證了跨不同環境的一致性。

Docker 映象層的組成部分

Docker 映象中的每一層都代表從 Dockerfile 中提取的一組指令。這些層分為三組：基礎層、中間層和頂層。每一組在建立映象的過程中都有其特定的作用。

基礎層

基礎層構成了 Docker 映象的基礎，通常包含支援應用程式所需的最小作業系統或執行時環境。它通常基於一個現有的映象，例如 node、alpine 或 Linux。這個層至關重要，因為它為所有後續層的功能奠定了基礎。

基礎層通常包含許多應用程式共享的必要庫和依賴項，以提供標準化的起點。透過確保應用程式擁有可靠且一致的基礎映象，開發人員可以簡化跨不同環境的開發和部署過程。

中間層

中間層是在基礎層之上新增的層。每個中間層都與 Dockerfile 中的一條指令相關聯，例如 RUN、COPY 或 ADD。這些層包含某些應用程式依賴項、配置檔案和其他補充基礎層的必要元素。

安裝軟體包、將原始碼複製到映象或配置環境變數是可以在中間層執行的一些示例任務。

中間層需要逐步構建應用程式環境。由於每個層都是不可變的，新增或修改一個層會導致建立新的層，而不是更改現有層。由於每個層都是不可變的，因此提高了效率並減少了冗餘，因為每個層在各種映象中都是一致且可重用的。

頂層

頂層是 Docker 映象中的最後一層，也稱為應用程式層。此層包含實際的應用程式程式碼以及使其執行所需的任何最終設定。頂層結合了基礎環境和中間層進行的小調整，從而建立了一個完整的可執行應用程式，它是之前所有層工作的最終結果。

頂層對於容器化應用程式是唯一的，用於區分不同的映象。當映象執行以建立容器時，執行時最直接互動的是頂層的內容。

Docker 映象中的快取層是什麼？

為了最大限度地提高和加快 Docker 映象的建立速度，快取層是 Docker 映象構建過程中一個重要的組成部分。它們旨在儘可能重用以前構建的層。此機制可以減少定期建立 Docker 映象所需的時間和計算能力，從而提高效率。

當你構建 Docker 映象時，Docker 會依次執行 Dockerfile 中的每個命令。對於每個命令，Docker 都會檢查該指令是否曾經在相同的上下文環境下執行過。如果是，Docker 不需要建立新的層——它可以重用已經建立的層。這個過程稱為“**層快取**”。透過使用 Docker 跳過沒有更改的步驟，因為快取層包含構建過程中建立的所有中間層，可以大大加快構建過程。

快取層是如何工作的？

**指令匹配** - Docker 在評估 Dockerfile 中的每個指令後，都會搜尋與之匹配的快取層。上下文——例如 COPY 指令中包含的檔案或 RUN 指令中的精確命令——以及指令本身決定了兩個指令是否匹配。

**層重用** - 如果 Docker 在其快取中發現匹配項，它會重用現有層，而不是構建新層。因此，Docker 避免重複指令，從而節省時間和資源。

**快取失效** - 當指令的上下文發生更改時，就會發生快取失效。例如，如果 COPY 指令中使用的一個檔案發生更改，並且找不到匹配的快取層，則 Docker 必須重新構建該層以及所有後續層。

快取層的優勢

**構建速度** - 構建時間的縮短似乎是主要優勢。Docker 可以透過重用現有層來顯著加快構建過程，尤其對於具有許多層的較大的映象。

**資源效率** - 重用層可以最大限度地減少需要處理和儲存的資料量，並節省計算資源。

**一致性** - 透過重用已經過測試和驗證的層，快取層可以確保構建的一致性，並降低在重新構建期間引入新錯誤的風險。

快取層：限制和注意事項

雖然快取層提供了許多好處，但它們也有一些限制 -

**快取大小** - 快取可能會佔用大量磁碟空間，並且有效管理快取可能很困難。雖然快取層有很多優點，但它也有一些缺點。

**快取失效** - Dockerfile 或構建上下文發生更改可能需要從頭開始重新構建層。

**安全** - 過度依賴快取層而不進行驗證，如果重用了舊的或不安全的層，可能會危及使用者資訊。

最大限度地提高 Dockerfile 中層快取的技巧

最大限度地提高 Dockerfile 中層快取的關鍵在於確保很少更改的命令組合在一起，並將對早期層的更改降到最低。透過這種技術，Docker 可以在未來的構建中重用盡可能多的層。為了獲得最佳的層快取，以下是 Dockerfile 結構的推薦實踐 -

使用穩定的基礎映象

選擇一個穩定且維護良好的映象作為 Dockerfile 的基礎映象。這有助於在構建之間保持基礎層的一致性。

FROM ubuntu:20.04

按易變性對指令進行分組和排序

按指令更改的頻率對其進行排序，從最少更改的開始。這樣，即使 Dockerfile 更新，Docker 也能快取更多層。

一起安裝依賴項

為了最小化層數並確保這些命令被快取為單個層，請將包安裝命令組合在一起。

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

分離應用程式程式碼和依賴項

在單獨的指令中新增應用程式程式碼和依賴項。這樣，程式碼的更新不會導致依賴項快取失效。

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

# Copy application code
COPY . /app

使用多階段構建

為了使最終映象精簡且不包含額外的層，請使用多階段構建。中間階段可以建立工件和快取依賴項。

# 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"]

最小化層數

必要時組合命令以最小化層數。

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

使用 .dockerignore 檔案

如果任何檔案或目錄對映象不是必需的，請將其排除在外，以避免在這些檔案更改時快取失效。

# .dockerignore
.git
node_modules
dist
Dockerfile

顯式版本控制

如果任何檔案或目錄對映象不是必需的，請將其排除在外，以避免在這些檔案更改時快取失效。安裝包時使用特定版本，以確保即使包的最新版本更改，也能使用快取。

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

Dockerfile 示例

這是一個包含這些實踐的 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"]

遵守這些指南，您可以最佳化 Docker 的層快取，以實現更快的構建和更經濟的資源使用。

結論

總而言之，為了最大限度地發揮容器化的優勢——例如更快的構建、更有效的資源利用和可靠的應用程式部署——對 Docker 映象進行分層和快取至關重要。

開發人員可以透過利用 Docker 映象的分層結構並仔細組織 Dockerfile 來最佳化層快取，最小化構建時間並提高快取層的可重用性。

層快取最佳化最佳實踐包括使用多階段構建、使用穩定的基礎映象、根據易變性對指令進行分類和排序以及分離應用程式程式碼和依賴項。

透過仔細評估這些方法，Docker 使用者可以提高工作流程的效率，最佳化其開發流程，並建立更可靠和可擴充套件的容器化應用程式。

常見問題

Q1. 如何最佳化 Dockerfile 以獲得更好的層快取？

為了最佳化 Dockerfile 並更好地利用層快取，務必組織指令以最大限度地減少對早期層的修改，並將那些不經常更改的命令組合在一起。在建立穩定的基礎映象後，請按更改頻率遞減的順序排列指令。

為避免程式碼更改導致快取失效，請將應用程式程式碼和依賴項分開。使用多階段構建來減少冗餘層並保持精簡的最終映象。最後，為了即使在軟體包版本更改時也能保持快取的可重用性，請在安裝軟體包時使用顯式版本。

Q2. Docker 層快取的侷限性是什麼？

儘管 Docker 層快取有很多優點，但它並非沒有缺點。構建上下文或 Dockerfile 指令的更改可能會導致快取失效，這可能會導致構建時間增加，因為 Docker 會從頭開始重建層。由於快取層會佔用磁碟空間，因此難以控制快取大小，可能需要定期清理以釋放儲存空間。

此外，過度依賴快取層而沒有充分驗證，可能會重用過時或有漏洞的層，從而帶來安全風險。

Q3. 如何排查與層快取相關的 Docker 構建問題？

如果遇到與層快取相關的 Docker 構建問題，請首先分析構建日誌以檢測任何快取未命中或快取失效訊息。查詢構建上下文或 Dockerfile 指令中的修改，這些修改可能導致快取失效。

評估 Dockerfile 結構，以驗證它是否符合增強層快取效率的最佳實踐。嘗試不同的 Dockerfile 設定，例如重新排序指令或重新排列命令，以檢視它們是否能提高快取效率。

最後，請參考 Docker 文件和社群論壇以獲取進一步的故障排除指導和建議。

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