把docker镜像当作桌面系统来用

博主一直都很喜欢思考怎样管理装在自己电脑上的桌面系统,这篇算是前作能当主力,能入虚拟机,还能随时打包带走,Linux就是这么强大的后续探索吧。

近些年来,Docker由于提供了一套非常方便地创建并运行应用容器的方法,而在全球掀起了一股容器化的热潮。容器通过将软件及其所需要的运行环境一同打包带走,从而将人们从依赖的苦海中拯救出来。虽然Docker设计的初衷并不是操作系统容器,更不是一个直接运行在裸机上的操作系统,但是docker这套强大的工具也会给我们管理操作系统带来巨大的便利。

为什么要用Docker镜像当作桌面系统?这就要从普通桌面系统的不方便之处说起。通常我们都拥有不止一台电脑,我们希望这些电脑能够保持一致。这里所说的“一致”,用一个例子来讲,就是我在一台电脑上编辑了一半的文件,不需要认为拷贝到另一台电脑上,而是直接打开电脑就能编辑。如果这个文件只是一个纯文本文件,或者一个Microsoft Word文档,那么实现这个一致性非常简单:把文件扔到Dropbox之类的云同步盘就好。然而对于专业用户来讲,这种一致性的保持并非单纯的扔到Dropbox里面那么简单:比如说你最近忙于一个项目,这个项目要用到若干编程语言,然后在电脑里装了一堆库,一堆工具软件,有图形界面的,也有命令行的。在工作的过程中,你有可能不断安装新的工具,或者决定弃用某个之前计划使用的库或者工具。要让你的工作在你的若干台电脑上都能工作,就要一直维护不同机器的环境的一致性:在一台机器上安装的工具,要在所有机器上重新安装一遍。在一台机器上升级了的库,要在所有机器上都升级,稍微有所差池,就有可能出现某个脚本/程序在一台机器上跑的好好的,在另一台机器上却无法运行的问题。

docker哲学

不熟悉docker的读者可以戳这里来了解docker。Docker的使用非常简单:我们通过写一个Dockerfile,在Dockerfile中写入相应的命令来安装以及配置我们想要的库跟工具。不熟悉docker的读者可以看一下下面这个抄来的Dockerfile的例子,来了解一下Dockerfile长啥样子:

有了Dockerfile,只需要docker build一条命令就可以创建一个docker镜像。同时Docker公司提供一个叫做DockerHub的服务,可以免费托管公开镜像。只需要使用docker push就可以直接把镜像上传到DockerHub。在不同的电脑上只需要docker pull就可以从DockerHub获取最新版的镜像。DockerHub还支持自动构建,通过把DockerHub帐号跟GitHub帐号关联起来,就可以让DockerHub在GitHub上面的Dockerfile出现更改的时候自动重新生成镜像。

本文开头所说的这种一致性的维护,docker实际上已经在给我们提供答案了:我们通过构建一个docker镜像,让这个镜像包含着我们项目所需要的所有的一切。这样的话,我们开发,测试,部署等等一切任务,都可以在先用docker run来开启一个容器,然后在容里面进行所有的工作。当我们决定修改运行环境,比如引入新的库的时候,就在Dockerfile中进行相应的修改,重新生成镜像,然后在不同的机器上用docker pull来更新一下就好。这种使用哲学,通过一个中心化了的仓库,非常优雅地解决了不同机器上环境一致的问题。美中不足的是,并不是所有的程序都能在容器里运行的,也并不是所有的程序都方便在容器里运行的。如果你用到了图形界面的程序,或者说是一些系统级别的程序,那么在容器里面使用这些程序会麻烦很多,有的甚至根本无法实现。于是自然地就会想到,如果我们能够在每次开机的时候,直接把某个docker生成的镜像挂载起来当根目录来使用,就可以让这个镜像直接在裸机上(而不是在容器中)运行,来做我们的日常桌面系统了。

这种做法,除了在保持一致性方面带来的便利以外,还有一些其他的好处:

  • 整个系统保存在云端,本地的内容仅仅是云端的一份缓存而已,这样就完全没有必要定期对系统进行备份了。
  • 你的系统是如何从零开始一步一步配置成你想要的样子的,所有的一切都清晰地展现在Dockerfile里面。Dockerfile就是你最好的笔记。
  • 完全不用担心系统长时间使用产生一些残余的垃圾文件、或者某些系统中某些程序的数据出现损坏,因为每次开机,我们用的都是一个全新的系统。
  • 要装一台新机器,并不需要从头安装操作系统,只要从DockerHub拉取镜像拿来用就好,安装系统这个过程变得极其方便。
  • 系统更新的过程实际上就是根据Dockerfile从最新的软件仓库重新从头安装生成docker镜像的过程,不会出现某些更新遇到文件冲突或者依赖无法处理,需要人为干预才能完成的问题。

docker存储驱动的工作原理

Docker的存储驱动官方有介绍其工作原理,这里只是简单概括一下。Docker使用了层的概念,docker在构建镜像的时候,会逐行执行我们的Dockerfile中的每一行,每执行一行的时候,docker就会创建出一个新的层来存放新的内容。当我们执行docker pull或者docker push的时候,docker实际上传跟下载的是这些层之间的增量。每当执行docker run,docker就会把这些下载下来的层组合到一起,组合成一个完整的镜像,然后新建一个读写层,所有运行过程中的写入都会被写入到读写层中,而镜像本身则是保持只读,不会被更改。“层”这个概念具体实现起来,根据docker目录(通常为/var/lib/docker这个目录)所在的文件系统的不同而不同,具体的实现在docker中被称为graph driver,docker自带的graph driver包括aufs、 overlay、btrfs、zfs、devicemapper等。这些graph driver大多使用了写时复制的技术,这样在把各个层组合在一起的过程不需要重新拷贝一份数据,实际的拷贝是在写入的时候发生的。

由于笔者使用的是btrfs,所以本文就以btrfs为例子来介绍怎么让系统启动到docker镜像上去。btrfs是一个写时复制的系统,由于docker的镜像是由一个一个的层叠在一起组成的,docker在使用btrfs的时候,每往上叠一层,docker就会创建一个原来层的快照,然后把新层的内容写到快照里面去。然后docker会在从镜像创建容器的时候,给镜像的最顶层做个快照,把这个快照当作容器读写层来用。

启动到docker镜像中去

明白了docker存储驱动的工作原理,还需要知道Linux的启动过程才能达成我们的目标。Linux在启动的时候,一般会让启动器给内核装载一个内存盘initramfs,然后内核完成简单的早期初始化以后,就会解压内存盘的内容到根目录/,然后启动内存盘中的init程序(一般为/init),这个init程序会进行进一步的初始化(比如说加载文件系统的驱动,对文件系统进行fsck等),这一步初始化完成了以后,这个init程序就会根据内核选项中的rootrootflags等内容挂载真正的根目录,然后通过switch_root程序启动真正根目录中的init程序,这个init程序则会完成最后的初始化工作,比如挂载fstab、加载图形界面等等。很多发行版都提供制作initramfs的工具,比如archlinux的mkinitcpio,这些工具通常都是模块化的,允许用户自己添加hook。

让系统启动到docker镜像所需要的知识已经完备了。思路也清晰了:通过给initramfs中添加hook,让initramfs中的init在挂载root之前从docker本地缓存中的镜像中创建出一个快照作为读写层,然后把这个读写层当作真正的root来挂载。具体操作上,在启动管理器里面写启动项的内核选项的时候,root就写/var/lib/docker所在的分区,而rootflags里面至少要有一项subvol=XXXXX,其中XXXXX是我们打算创建的读写层的位置。然后重中之重则是,写一个hook,这个hook干的事情是:找到想要的docker镜像对应的btrfs子卷,给这个子卷创建一个快照,命名为XXXXX(跟内核选项中的名字保持一致)。这样的话,在Linux把控制权交给initramfs中的init程序以后,init程序会先去从docker缓存中的子卷创造出XXXXX快照,然后把XXXXX快照当作root来挂载以及进行接下来的操作。如果读者跟笔者一样使用Arch Linux的话,那么所有的这些工作笔者已经做了,读者可以直接拿来用。

笔者的源码位于GitHub: https://github.com/zasdfgbnm/mkinitcpio-docker-hooks ,同时读者也可以直接从AUR中搜索mkinitcpio-docker-hooks来安装笔者的hook。下面就来介绍一下这个hook的使用方法。

mkinitcpio-docker-hooks的使用

mkinitcpio-docker-hooks的使用流程大概分为如下几步:

  1. 确保你的/var/lib/docker位于某个btrfs分区中
  2. 准备一个适合在裸机上启动的docker镜像
  3. 然后在这个镜像中安装并配置mkinitcpio-docker-hooks
  4. 准备内核跟initramfs
  5. 准备top layer的内容
  6. 设置启动管理器

docker镜像的准备

要想启动到docker镜像中去,首先你得有一个适合在裸机上启动的docker镜像。很多docker镜像,为了减小镜像的大小,是不会附带只有裸机上才能用到的软件包(比如dhcpcd)的,所以读者可能需要在Dockerfile中手动安装这些软件包,对于Arch Linux来讲,只需要安装base组就可以了。由于接下来要安装mkinitcpio-docker-hooks,这里推荐使用一个已经内置yaourt的镜像,笔者使用的是自己的archlinux-yaourt镜像zasdfgbnm/archlinux-yaourt。所以,Dockerfile的开头看起来是这个样子的:

作为示例,这里就不安装base之外的其他软件了,读者请自己根据需要安装其他软件。

安装并配置mkinitcpio-docker-hooks

mkinitcpio-docker-hooks的安装是在docker里面而不是当前运行在裸机上的系统中进行的。之所以要把这个软件包安装在docker镜像里面,很重要的原因是因为Linux内核不提供ABI的稳定性,所以内核模块跟内核的版本必须严格对应,不然模块是无法加载的。为了保持这种一致性,我们采取的措施是,在docker里面安装mkinitcpio-docker-hooks,在docker中生成initramfs,并且在启动的时候用镜像里面的内核启动,就可以确保内核、initramfs中的模块、启动到镜像以后的/lib/modules三者保持一致。安装过程在Dockerfile中的写法如下:

安装完了mkinitcpio-docker-hooks以后还需要配置,配置文件在/etc/docker-btrfs.json,初始内容如下:

我们需要做的就是把这两个变量的值替换为我们想要的值,比如说这里我打算把我的docker镜像的名字叫做“sample_image”。同时,我们还需要在/etc/mkinitcpio.conf中添加docker-btrfs这个hook。
综上,可以在Dockerfile中使用如下命令来配置:

??????????????Dockerfile??

只需要通过docker build . -t sample_image就可以构建自己的镜像了。

准备内核跟initramfs

镜像生成好了以后,下一步就是准备内核跟构建initramfs了。注意这一步操作尽量在你打算用来启动docker镜像的机器上进行,因为mkinitcpio会自动根据机器把相应的内核模块放入initramfs中去,如果在别的机器上进行的话,那就可能会有一些驱动没有被自动装入initramfs中。如前所述,这一步的工作是在docker容器中进行的。首先运行容器并开启一个shell:

然后在容器中执行如下命令:

然后就可以在当前目录下看到准备好的initramfs-linux-fallback.imginitramfs-linux.img以及vmlinuz-linux了。

准备top layer的内容

Top layer是mkinitcpio-docker-hooks引入的新概念,它指的是某个驱动器中的某个目录,这个目录会在启动的时候读写层创建之后,真正的root挂载之前,通过busybox的cp -a命令整个拷贝到读写层里面去。为什么需要top layer呢?因为我们需要在多台机器上启动同一个镜像,而不同机器上的往往会根据需要配置不同的配置文件,比如/etc/fstab以及/etc/X11/xorg.conf。另外,DockerHub免费账户上的镜像都是公开的,/etc/passwd/etc/shadow等的私密性文件也不适合放在镜像里面存储。

准备top layer的内容,实际上就是找一个文件夹,把需要单独配置的文件,按照从根目录算起的相对路径存放在这个文件夹里面。比如说如果你想给某台机器单独配置/etc/fstab,那么你就应该在top layer的目录中添加etc/fstab这个文件。这里推荐的具体的操作流程是:首先通过docker run -v $(pwd):/workspace -w /workspace -it sample_image bash进入容器中的shell,然后在其中做各种配置,比如useradd ...,完了以后把新生成的配置文件拷贝到top layer的文件夹中去

设置启动管理器

设置好了top layer以后,我们基本上可以算是万事具备只差东风了。我们只需要简单设置一下启动管理器就可以启动我们的系统了。这里以refind为例子,这里假设我们的所有东西放在一个label为“linux”的btrfs分区中,docker目录(也就是你系统启动以后会挂载到/var/lib/docker的目录)存放在这个分区根目录下的一个叫做“docker”的子卷中,而内核、initramfs以及top layer都是位于分区根目录下的“boot_docker”文件夹中,而我们希望创建的读写层名字叫做“docker_rwlayer”,那么相应的refind.conf中的菜单项的代码如下:

其中内核选项中,我们通过root来指定docker目录所在的分区,rootflags中的subvol来指定读写层的位置,docker_path来指定docker目录在root中的相对位置;通过toplayer来指定top layer目录所在的分区,toplayerflags来指定top layer所在分区的挂载选项,toplayer_path来指定top layer的目录在toplayer分区中的相对位置。

一切就绪,重启并享受吧!

另外,有兴趣的读者可以看一下笔者自用的docker镜像作为参考:
https://cloud.docker.com/swarm/zasdfgbnmsystem/repository/docker/zasdfgbnmsystem/archlinux-kde/general
https://github.com/zasdfgbnm-dockers/archlinux-kde

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