Docker技術(shù)從2013年誕生到目前已經(jīng)4年有余了。對(duì)于已經(jīng)接納和使用Docker技術(shù)在日常開(kāi)發(fā)工作中的開(kāi)發(fā)者而言，構(gòu)建Docker鏡像已經(jīng)是家常便飯。但這是否意味著Docker的image構(gòu)建機(jī)制已經(jīng)相對(duì)完美了呢？不是的，Docker官方依舊在持續(xù)優(yōu)化鏡像構(gòu)建機(jī)制。這不，從今年發(fā)布的Docker 17.05版本起，Docker開(kāi)始支持容器鏡像的多階段構(gòu)建(multi-stage build)了。
什么是鏡像多階段構(gòu)建呢？直接給出概念定義太突兀，這里先賣個(gè)關(guān)子，我們先從日常開(kāi)發(fā)中用到的鏡像構(gòu)建的方式和所遇到的鏡像構(gòu)建的問(wèn)題說(shuō)起。
一、同構(gòu)的鏡像構(gòu)建
我們?cè)谧鲧R像構(gòu)建時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)的場(chǎng)景就是：應(yīng)用在開(kāi)發(fā)者自己的開(kāi)發(fā)機(jī)或服務(wù)器上直接編譯，編譯出的二進(jìn)制程序再打入鏡像。這種情況一般要求編譯環(huán)境與鏡像所使用的base image是兼容的，比如說(shuō)：我在Ubuntu 14.04上編譯應(yīng)用，并將應(yīng)用打入基于ubuntu系列base image的鏡像。這種構(gòu)建我稱之為“同構(gòu)的鏡像構(gòu)建”，因?yàn)閼?yīng)用的編譯環(huán)境與其部署運(yùn)行的環(huán)境是兼容的：我在Ubuntu 14.04下編譯出來(lái)的應(yīng)用，可以基本無(wú)縫地在基于ubuntu：14.04及以后版本base image鏡像(比如：16.04、16.10、17.10等)中運(yùn)行；但在不完全兼容的base image中，比如centos中就可能會(huì)運(yùn)行失敗。
1、同構(gòu)鏡像構(gòu)建舉例
這里舉個(gè)同構(gòu)鏡像構(gòu)建的例子(后續(xù)的章節(jié)也是基于這個(gè)例子的)，注意：我們的編譯環(huán)境為Ubuntu 16.04 x86_64虛擬機(jī)、Go 1.8.3和docker 17.09.0-ce。
我們用一個(gè)Go語(yǔ)言中最常見(jiàn)的http server作為例子：
編譯這個(gè)程序：
這個(gè)例子看起來(lái)很簡(jiǎn)單，也沒(méi)幾行代碼，但背后Go net/http包在底層做了大量的事情，包括很多系統(tǒng)調(diào)用，能夠反映出應(yīng)用與操作系統(tǒng)的“耦合”，這在后續(xù)的講解中會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。接下來(lái)我們就來(lái)為這個(gè)程序構(gòu)建一個(gè)docker image，并基于這個(gè)image來(lái)啟動(dòng)一個(gè)myhttpserver容器。我們選擇ubuntu：14.04作為base image：
以上是最基本的image build方法。
接下來(lái)，我們可能會(huì)遇到如下需求：
* 搭建一個(gè)Go程序的構(gòu)建環(huán)境有時(shí)候是很耗時(shí)的，尤其是對(duì)那些依賴很多第三方開(kāi)源包的Go應(yīng)用來(lái)說(shuō)，下載包就需要很長(zhǎng)時(shí)間。我們最好將這些易變的東西統(tǒng)統(tǒng)打包到一個(gè)用于Go程序構(gòu)建的builder image中；
* 我們看到上面我們構(gòu)建出的myrepo/myhttpserver image的SIZE是200MB，這似乎有些過(guò)于“龐大”了。雖然每個(gè)主機(jī)node上的docker有cache image layer的能力，但我們還是希望能build出更加精簡(jiǎn)短小的image。
2、借助golang builder image
Docker Hub上提供了一個(gè)帶有g(shù)o dev環(huán)境的官方golang image repository，我們可以直接使用這個(gè)golang builder image來(lái)輔助構(gòu)建我們的應(yīng)用image；對(duì)于一些對(duì)第三方包依賴較多的Go應(yīng)用，我們也可以以這個(gè)golang image為base image定制我們自己的專用builder image。
我們基于golang：latest這個(gè)base image構(gòu)建我們的golang-builder image，我們編寫(xiě)一個(gè)Dockerfile.build用于build golang-builder image：
在同目錄下構(gòu)建golang-builder image：
接下來(lái)，我們就基于golang-builder中已經(jīng)build完畢的myhttpserver來(lái)構(gòu)建我們最終的應(yīng)用image：
這段命令的邏輯就是從基于golang-builder image啟動(dòng)的容器appsource中將已經(jīng)構(gòu)建完畢的myhttpserver拷貝到主機(jī)當(dāng)前目錄中，然后刪除臨時(shí)的container appsource以及上面構(gòu)建的那個(gè)golang-builder image；最后的步驟和第一個(gè)例子一樣，基于本地目錄中的已經(jīng)構(gòu)建完的myhttpserver構(gòu)建出最終的image。為了方便，你也可以將這一系列命令放到一個(gè)Makefile中去。
3、使用size更小的alpine image
builder image并不能幫助我們?yōu)樽罱K的應(yīng)用image“減重”，myhttpserver image的Size依舊停留在200MB。要想“減重”，我們需要更小的base image，我們選擇了alpine。Alpine image的size不到4M，再加上應(yīng)用的size，最終應(yīng)用Image的Size估計(jì)可以縮減到20M以下。
結(jié)合builder image，我們只需將Dockerfile的base image改為alpine：latest：
構(gòu)建alpine版應(yīng)用image：
16.3MB，Size的確降下來(lái)了！我們基于該image啟動(dòng)一個(gè)容器，看應(yīng)用運(yùn)行是否有什么問(wèn)題：
容器啟動(dòng)失敗了！為什么呢？因?yàn)閍lpine image并非ubuntu環(huán)境的同構(gòu)image。我們?cè)谙旅嬖敿?xì)說(shuō)明。
二、異構(gòu)的鏡像構(gòu)建
我們的image builder： myrepo/golang-builder：latest是基于golang：latest這個(gè)image。golang base image有兩個(gè)模板：Dockerfile-debain.template和Dockerfile-alpine.template。而golang：latest是基于debian模板的，與ubuntu兼容。構(gòu)建出來(lái)的myhttpserver對(duì)動(dòng)態(tài)共享鏈接庫(kù)的情況如下：
debian系的linux distribution使用了glibc。但alpine則不同，alpine使用的是musl libc的實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)我們運(yùn)行上面的那個(gè)容器時(shí)，加載器因找不到myhttpserver依賴的libc.so.6而失敗退出。
這種構(gòu)建環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境不兼容的情況我這里稱之為“異構(gòu)的鏡像構(gòu)建”。那么如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？我們繼續(xù)看：
1、靜態(tài)構(gòu)建
在主流編程語(yǔ)言中，Go的移植性已經(jīng)是數(shù)一數(shù)二的了，尤其是Go 1.5之后，Go將runtime中的C代碼都用Go重寫(xiě)了，對(duì)libc的依賴已經(jīng)降到最低了，但仍有一些feature提供了兩個(gè)版本的實(shí)現(xiàn)：C實(shí)現(xiàn)和Go實(shí)現(xiàn)。并且默認(rèn)情況下，即在CGO_ENABLED=1的情況下，程序和預(yù)編譯的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)都采用了C的實(shí)現(xiàn)。關(guān)于這方面的詳細(xì)論述請(qǐng)參見(jiàn)我之前寫(xiě)的《也談Go的可移植性》一文，這里就不贅述了。于是采用了不同libc實(shí)現(xiàn)的debian系和alpine系自然存在不兼容的情況。要解決這個(gè)問(wèn)題，我們首先考慮對(duì)Go程序進(jìn)行靜態(tài)構(gòu)建，然后將靜態(tài)構(gòu)建后的Go應(yīng)用放入alpine image中。
我們修改一下Dockerfile.build，在編譯Go源文件時(shí)加上CGO_ENABLED=0：
構(gòu)建這個(gè)builder image：
接下來(lái)，我們?cè)倩趃olang-static-builder中已經(jīng)build完畢的靜態(tài)連接的myhttpserver來(lái)構(gòu)建我們最終的應(yīng)用image：
運(yùn)行新image：
Note： 我們可以用strace來(lái)證明靜態(tài)連接時(shí)Go只使用的是Go自己的runtime實(shí)現(xiàn)，而并未使用到libc.a中的代碼：
打開(kāi)go-static-build-strace-file-open.txt文件查看文件內(nèi)容，你不會(huì)找到libc.a這個(gè)文件（在Ubuntu下，一般libc.a躺在/usr/lib/x86_64-linux-gnu/下面），這說(shuō)明go build根本沒(méi)有嘗試去open libc.a文件并獲取其中的符號(hào)定義。
2、使用alpine golang builder
我們的Go應(yīng)用運(yùn)行在alpine based的container中，我們可以使用alpine golang builder來(lái)構(gòu)建我們的應(yīng)用(無(wú)需靜態(tài)鏈接)。前面提到過(guò)golang有alpine模板：
alpine版golang builder的Dockerfile內(nèi)容如下：
后續(xù)的操作與前面golang builder的操作并不二致：利用alpine golang builder構(gòu)建我們的應(yīng)用，并將其打入alpine image，這里就不贅述了。
三、多階段鏡像構(gòu)建：提升開(kāi)發(fā)者體驗(yàn)
在Docker 17.05以前，我們都是像上面那樣構(gòu)建鏡像的。你會(huì)發(fā)現(xiàn)即便采用異構(gòu)image builder模式，我們也要維護(hù)兩個(gè)Dockerfile，并且還要在docker build命令之外執(zhí)行一些諸如從容器內(nèi)copy應(yīng)用程序、清理build container和build image等的操作。Docker社區(qū)看到了這個(gè)問(wèn)題，于是實(shí)現(xiàn)了多階段鏡像構(gòu)建機(jī)制（multi-stage）。
我們先來(lái)看一下針對(duì)上面例子，multi-stage build所使用Dockerfile：
看完這個(gè)Dockerfile的內(nèi)容，你的第一趕腳是不是把之前的兩個(gè)Dockerfile合并在一塊兒了，每個(gè)Dockerfile單獨(dú)作為一個(gè)“階段”！事實(shí)也是這樣，但這個(gè)Docker也多了一些新的語(yǔ)法形式，用于建立各個(gè)“階段”之間的聯(lián)系。針對(duì)這樣一個(gè)Dockerfile，我們應(yīng)該知道以下幾點(diǎn)：
- 支持Multi-stage build的Dockerfile在以往的多個(gè)build階段之間建立內(nèi)在連接，讓后一個(gè)階段構(gòu)建可以使用前一個(gè)階段構(gòu)建的產(chǎn)物，形成一條構(gòu)建階段的chain；
- Multi-stages build的最終結(jié)果僅產(chǎn)生一個(gè)image，避免產(chǎn)生冗余的多個(gè)臨時(shí)images或臨時(shí)容器對(duì)象，這正是我們所需要的：我們只要結(jié)果。
我們來(lái)使用multi-stage來(lái)build一下上述例子：
我們來(lái)Run一下這個(gè)image：
四、小結(jié)
多階段鏡像構(gòu)建可以讓開(kāi)發(fā)者通過(guò)一個(gè)Dockerfile，一次性地、更容易地構(gòu)建出size較小的image，體驗(yàn)良好并且更容易接入CI/CD等自動(dòng)化系統(tǒng)。不過(guò)當(dāng)前多階段構(gòu)建僅是在Docker 17.05及之后的版本中才能得到支持。如果想學(xué)習(xí)和實(shí)踐這方面功能，但又沒(méi)有環(huán)境，可以使用play-with-docker提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
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本文標(biāo)題：理解Docker的多階段鏡像構(gòu)建
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