容器核心知识
本篇通过 Docker 讨论容器的核心知识。
概述
容器核心知识主要回答有关容器 What、Why 和 How 三个问题。其中 How 是重点，将从架构、镜像、容器、网络和存储几个方面进行讲解。
What - 什么是容器？
容器是一种轻量级、可移植、自包含的软件打包技术，使应用程序可以在几乎任何地方以相同的方式运行。开发人员在自己笔记本上创建并测试好的容器，无需任何修改就能够在生产系统的虚拟机、物理服务器或公有云主机上运行。
容器与虚拟机
谈到容器，就不得不将它与虚拟机进行对比，因为两者都是为应用提供封装和隔离。
容器由两部分组成：
- 应用程序本身
- 依赖：比如应用程序需要的库或其他软件
容器在 Host 操作系统的用户空间中运行，与操作系统的其他进程隔离。这一点显著区别于的虚拟机。
传统的虚拟化技术，比如 VMWare, KVM, Xen，目标是创建完整的虚拟机。为了运行应用，除了部署应用本身及其依赖（通常几十 MB），还得安装整个操作系统（几十 GB）。
下图展示了二者的区别。
如图所示，由于所有的容器共享同一个 Host OS，这使得容器在体积上要比虚拟机小很多。另外，启动容器不需要启动整个操作系统，所以容器部署和启动速度更快，开销更小，也更容易迁移。
Why - 为什么需要容器？
为什么需要容器？容器到底解决的是什么问题？
简要的答案是：容器使软件具备了超强的可移植能力。
容器解决的问题
我们来看看今天的软件开发面临着怎样的挑战？
如今的系统在架构上较十年前已经变得非常复杂了。以前几乎所有的应用都采用三层架构（Presentation/Application/Data），系统部署到有限的几台物理服务器上（Web Server/Application Server/Database Server）。
而今天，开发人员通常使用多种服务（比如 MQ，Cache，DB）构建和组装应用，而且应用很可能会部署到不同的环境，比如虚拟服务器，私有云和公有云。
一方面应用包含多种服务，这些服务有自己所依赖的库和软件包；另一方面存在多种部署环境，服务在运行时可能需要动态迁移到不同的环境中。这就产生了一个问题：
如何让每种服务能够在所有的部署环境中顺利运行？
于是我们得到了下面这个矩阵：
各种服务和环境通过排列组合产生了一个大矩阵。开发人员在编写代码时需要考虑不同的运行环境，运维人员则需要为不同的服务和平台配置环境。对他们双方来说，这都是一项困难而艰巨的任务。
如何解决这个问题呢？
聪明的技术人员从传统的运输行业找到了答案。
几十年前，运输业面临着类似的问题。
每一次运输，货主与承运方都会担心因货物类型的不同而导致损失，比如几个铁桶错误地压在了一堆香蕉上。另一方面，运输过程中需要使用不同的交通工具也让整个过程痛苦不堪：货物先装上车运到码头，卸货，然后装上船，到岸后又卸下船，再装上火车，到达目的地，最后卸货。一半以上的时间花费在装、卸货上，而且搬上搬下还容易损坏货物。
这同样也是一个 NxM 的矩阵。
幸运的是，集装箱的发明解决这个难题。
任何货物，无论钢琴还是保时捷，都被放到各自的集装箱中。集装箱在整个运输过程中都是密封的，只有到达最终目的地才被打开。标准集装箱可以被高效地装卸、重叠和长途运输。现代化的起重机可以自动在卡车、轮船和火车之间移动集装箱。集装箱被誉为运输业与世界贸易最重要的发明。
Docker 将集装箱思想运用到软件打包上，为代码提供了一个基于容器的标准化运输系统。Docker 可以将任何应用及其依赖打包成一个轻量级、可移植、自包含的容器。容器可以运行在几乎所有的操作系统上。
其实，“集装箱” 和 “容器” 对应的英文单词都是 “Container”。
“容器” 是国内约定俗成的叫法，可能是因为容器比集装箱更抽象，更适合软件领域的原故吧。
我个人认为：在老外的思维中，“Container” 只用到了集装箱这一个意思，Docker 的 Logo 不就是一堆集装箱吗？
Docker 的特性
我们可以看看集装箱思想是如何与 Docker 各种特性相对应的。
| 特性 | 集装箱 | Docker |
|---|---|---|
| 打包对象 | 几乎任何货物 | 任何软件及其依赖 |
| 硬件依赖 | 标准形状和接口允许集装箱被装卸到各种交通工具，整个运输过程无需打开 | 容器无需修改便可运行在几乎所有的平台上 -- 虚拟机、物理机、公有云、私有云 |
| 隔离性 | 集装箱可以重叠起来一起运输，香蕉再也不会被铁桶压烂了 | 资源、网络、库都是隔离的，不会出现依赖问题 |
| 自动化 | 标准接口使集装箱很容易自动装卸和移动 | 提供 run, start, stop 等标准化操作，非常适合自动化 |
| 高效性 | 无需开箱，可在各种交通工具间快速搬运 | 轻量级，能够快速启动和迁移 |
| 职责分工 | 货主只需考虑把什么放到集装箱里；承运方只需关心怎样运输集装箱 | 开发人员只需考虑怎么写代码；运维人员只需关心如何配置基础环境 |
容器的优势
对于开发人员 - Build Once, Run Anywhere
容器意味着环境隔离和可重复性。开发人员只需为应用创建一次运行环境，然后打包成容器便可在其他机器上运行。另外，容器环境与所在的 Host 环境是隔离的，就像虚拟机一样，但更快更简单。
对于运维人员 - Configure Once, Run Anything
只需要配置好标准的 runtime 环境，服务器就可以运行任何容器。这使得运维人员的工作变得更高效，一致和可重复。容器消除了开发、测试、生产环境的不一致性。
How - 容器是如何工作的？
接下来学习容器核心知识的最主要部分。
我们首先会介绍 Docker 的架构，然后分章节详细讨论 Docker 的镜像、容器、网络和存储。