深入淺出理解 Docker 的底層運作與架構

今天我們要一起來聊聊 Docker，Docker 是現代開發與運維中不可或缺的工具，用來打包、部署和運行應用程式。它讓你能在任何環境中快速部署應用，實現「一次構建，隨處運行」的目標，是一個讓開發者與運維工程師都愛不釋手的工具。想像 Docker 就像是「貨櫃」，它能把你的應用程式打包起來，無論搬到哪台電腦上都能保證一致運行。準備好了嗎？讓我們開始吧！

Docker 是什麼？

Docker 是一個容器化技術 (Containerlize)。什麼是容器化呢？想像你有一台「神奇咖啡機」，每天要為不同客戶沖泡咖啡。如果每次都要在客戶家現場準備咖啡豆、糖、水，還要調整不同的咖啡機，結果做出來的咖啡味道可能忽濃忽淡。但如果有了 Docker，你可以把咖啡豆、糖、水，甚至連沖泡的設定和一台標準化的「神奇咖啡機」都打包好。無論這台咖啡機被帶到哪裡，只要按下開始鍵，就能保證沖出來的咖啡味道一模一樣。

在程式世界裡，這杯「咖啡」就是你的應用程式，「神奇咖啡機」就是 Docker 容器。它把程式碼、依賴庫、設定檔通通裝進這個標準化的環境，讓程式能在任何地方（你的電腦、雲端伺服器）穩定運行。

概念

要理解 Docker 的運作，我們需要先了解幾個核心概念：

• Image：

  • 應用程式的靜態模板，其中包含應用程式及其運行所需的依賴（EX:程式碼、程式庫）。
  • 類似於 VM 中的「快照」(Snapeshot)。

• Container：

  • 從 Image 啟動的執行實例，是一個輕量的隔離運行環境。
  • 每個容器共享宿主機的作業系統核心，但彼此隔離。

• Registry：

  • 儲存和分發 Image 的地方（EX: Docker Hub or Private Registry）。

底層技術

Docker 的強大主要建立在 Linux 提供的核心功能之上

• Namespace

  • 用於實現 Container 的 process 隔離。
  • 每個 Container 都有自己的命名空間，確保不同容器之間的資源互不影響。
  • 常見的 Namespace：
    • PID (Process ID)：每個容器看到的是自己的 Process 列表。
    • NET (網路)：每個容器配備獨立的網路接口和 IP。
    • MNT (掛載)：每個容器有自己的檔案系統視圖。

• Cgroups

  • 用於資源的分配與限制，EX: CPU、記憶體和網路資源的管理。
  • 能避免單一容器過度佔用資源，確保整體系統性能穩定。

• UnionFS

  • 支援分層的檔案系統，可有效 ++減少重複數據的存儲量++。
  • Docker 的 Image 由多層構成，每層只存儲新增或修改的部分，未改變的部分會繼續共享。

• Container Runtime

  • Docker 使用 containerd 作為 Container Runtime，負責管理 Container 的生命周期（啟動、停止、刪除）。

核心架構

Docker 的核心架構就像一家咖啡機。你（Docker Client）用遙控器操作，咖啡機的大腦（Docker Daemon）接到訂單後，指揮咖啡機的沖泡模組（Containerd）啟動咖啡機（OCI Runtime），從原料供應商（Docker Registry）拿來咖啡豆和配方，沖出一杯完美的咖啡（Container）。

• Docker Client
  用戶與 Docker 互動的介面，負責接收指令（docker run） 後，傳給 Docker Daemon。
  就像你手上有一個「咖啡機遙控器」，按下「沖泡」按鈕（docker run），告訴咖啡機要做什麼。

• Docker Daemon
  Docker 接收指令、管理一切的中心，負責處理所有 Container 的操作（如啟動、停止、刪除等），同時管理 Image、網路和儲存等資源。它會持續運行，並監聽來自 Docker Client 的請求。
  就像咖啡機的「智能大腦」。接收你的指令 (docker run)，然後指揮咖啡機磨豆、加水、沖泡、分配原料。

• Containerd
  Container 的核心執行環境，管理 Container 的生命周期（創建、啟動、停止等）。它是 Docker Daemon 的一部分，但獨立出來，讓架構更模組化。
  就像咖啡機裡的「沖泡模組」。大腦 （Daemon） 告訴它做事，它負責把咖啡豆變成咖啡（管理 Container 的生命周期），確保每杯咖啡都能順利沖泡。

• Docker Registry
  儲存和分發 Docker Image 的地方 (預設 Docker Hub，但也可以是 Private Registry)。
  就像「原料供應商」（Docker Hub），提供咖啡豆、糖和配方（Image），可以隨時去拿來用。docker pull nginx 就是去拿原料。

• OCI Runtime（runc）
  標準化的 Container Runtime (runc) 在幕後把 Container 跑起來，它是底層工具，你不會直接跟它打交道。
  就像咖啡機的「引擎」，默默地讓咖啡機運作（啟動和運行 Container）。

用戶 --> [Docker Client] --> [Docker Daemon] --> [Containerd]
                  ↘︎                ↓
            [Docker Registry]   [OCI Runtime]
                 (外部支援)       (底層實現)

工作流程

假設執行以下指令：docker run hello-world

1. 查找 Image：

   • Docker Client 發送請求到 Docker Daemon。
   • Daemon 會先檢查本地是否已有 hello-world Image，若不存在，則從 Docker Hub 拉取。

2. 啟動容器：

   • 使用拉取下來的 Image 創建容器。
   • 分配資源（EX: CPU、Memory）並設置 Namespace。

3. 運行應用程式：

   • 啟動容器內的應用程式。
   • 使用者可以通過容器內的網路端口與應用程式進行互動。

應用場景

• 開發環境一致性：
  開發者能夠在本地建立與生產環境完全一致的運行環境，從而有效解決「在我這裡可以跑」這類常見問題，大幅提升開發流程的穩定性和可靠性。

• CI/CD 流程：
  支援快速完成應用程式的打包、測試與部署，顯著縮減從開發到上線的整體交付周期，讓產品更新和改進更加高效。

• 微服務架構：
  將每個微服務打包成獨立容器後，能夠更輕鬆地實現高效管理與彈性擴展，有助於系統在應對複雜需求時保持靈活性與穩定性。

優缺點

優點	缺點
輕量級：共享 OS 核心，減少資源需求	容器隔離性不如虛擬機（需注意安全設置）
啟動速度快：秒級啟動，提升開發效率	高效管理需要學習曲線（如編排工具 Kubernetes）
高可移植性：支援跨平台部署	大量容器可能增加監控和調試的複雜度

總結

Docker 通過整合 Linux 的 Namespace、Cgroups 和 UnionFS，提供了一個輕量且高效的容器化平台。它的設計理念簡單，但底層運作機制複雜且高效，是現代軟體開發與部署的核心工具。

Docker 是容器技術的橋梁、是一種輕量虛擬化技術，讓你的應用程式無縫運行在任何環境中！