Docker學習：Image的本地存儲結構

寫在前面

在使用Docker時候，針對鏡像的操作一般就是docker pull，docker build，docker commit（剛開始接觸Docker的時候，還不會Dockerfile，經常使用這個命令，但是經歷了一次血的教訓，我已經放棄這個命令很久）這些操作，大概都知道Images在Docker中是由無數個Layer組成，但是，Image在本地是如何存儲的？上述操作又會對本地存儲帶來怎樣的變化？抱着學習的態度，我從剛剛安裝完docker開始，一步一步研究docker image的目錄結構和含義。
本人也只是docker初學者，寫文章的目的也是希望自己不僅僅停留在會使用docker的階段，還能夠邊用邊學邊總結，一方面加深自己的理解，另一方面希望通過這種方式與一起學習Docker的童鞋們交流。如有錯誤，歡迎批評指正，謝謝。

背景：Image 大小無法壓縮引出的問題

以前基本都在本地服務器上使用Dockerfile構建鏡像，一般來說磁盤的空間都是足夠的，而且基本不需要docker save，應用場景也不存在頻發啓動容器的情況，所以不管是空間還是效率的角度，都沒有刻意去壓縮構建出來的鏡像大小。但是，最近因爲需要在VPS上構建，可用的空間嚴重受限，因此，覺得重寫Dockerfile來壓縮鏡像大小。本以爲應該是一件很簡單的事情，果然太年輕。直接從dockerfile說起：

FROM alpine
........
RUN apk -U upgrade && \
    apk -v add --no-cache bash curl && \
    apk -v add --no-cache --virtual .build-deps gcc make && \
    apk -v add --no-cache mysql-client libc-dev mariadb-dev && \
    rm -rf /var/cache/apk/*
COPY ./startService.sh /
........
RUN make clean && make && make install && \
    apk del .build-deps
    
CMD ["/bin/bash", "/startService.sh"]

實驗發現上面的寫法，apk del .build-deps這一句加不加，大小都是一樣的，也就是說完全沒有像預期的一樣，卸載環境就可以壓縮大小。一通googole，問題得到了解決，大家給出來的原因基本可以總結爲：“Image是由多個Layer組成的，後面的Layer沒辦法修改前面的Layer”，修改一下dockerfile就能解決：

FROM alpine
........
RUN apk -U upgrade && \
    apk -v add --no-cache bash curl && \
    apk -v add --no-cache mysql-client libc-dev mariadb-dev && \
    rm -rf /var/cache/apk/*
COPY ./startService.sh /
........
RUN apk -v add --no-cache --virtual .build-deps gcc make && \
    make clean && make && make install && \
    apk del .build-deps
    
CMD ["/bin/bash", "/startService.sh"]

問題確實解決了，也大概能體會到在dockerfile中，最好把中間過程寫在一起，減少Layer，但是，爲什麼會這樣？很明顯，從最開始的錯誤理解和現在的不理解，都是因爲對Image的實現原理不清楚，所以，決定從Image本地目錄結構的角度來分析和理解。如果只想看結論，直接跳到最後吧。

環境

• Centos 7.4
• Docker 18.09.0

因爲不同的Docker版本，目錄結構有一些差異，下面的操作都是針對V18.09.0，而不同的操作系統會影響默認的存儲方式等，這裏使用的是Centos 7.4。
接下來的內容，首先根據最初始的Docker環境，拉去一個alpine鏡像分析本地目錄結構，以及每一個目錄或文件的含義；然後基於alpine鏡像，從dockerfile中構建一個簡單的test-image鏡像，完成構建之後進一步分析和驗證目錄或文件的含義，並分析Image和Layer的關聯關係在本地文件系統是如何實現關聯的。

從最簡單的docker pull alpine瞭解本地目錄結構

一般默認安裝啓動Docker，所有相關的文件都會存儲在/var/lib/docker下面，可以使用tree /var/lib/docker 查看目錄結構，而與Image相關的目錄主要包括兩個：image和overlay2，需要注意overlay2，是存儲驅動，不同的操作系統和docker版本可能不太一致，所以在查看目錄的時候要結合自己的環境:

/var/lib/docker
├── builder
│   └── fscache.db
├── buildkit
│   ├── cache.db
│   ├── content
│   │   └── ingest
│   ├── executor
│   ├── metadata.db
│   └── snapshots.db
├── containerd
│   └── daemon
│       ├── ........
│       └── tmpmounts
├── containers
├── image
│   └── overlay2
│       ├── distribution
│       ├── imagedb
│       │   ├── content
│       │   │   └── sha256
│       │   └── metadata
│       │       └── sha256
│       ├── layerdb
│       └── repositories.json
├── network
│   └── files
│       └── local-kv.db
├── overlay2
│   ├── backingFsBlockDev
│   └── l
├── plugins
│   ├── storage
│   │   └── blobs
│   │       └── tmp
│   └── tmp
├── runtimes
├── swarm
├── tmp
├── trust
└── volumes
    └── metadata.db

因爲上面是剛安裝完的狀態，並沒有pull或者build任何鏡像，所以目前image目錄下只有一些默認的文件或者目錄，而且文件和目錄也沒有存什麼有用的信息。現在我們使用docker pull alpine獲取一個最簡單的鏡像。

[root@docker-learn docker]# docker pull alpine
Using default tag: latest
latest: Pulling from library/alpine
cd784148e348: Pull complete 
Digest: sha256:46e71df1e5191ab8b8034c5189e325258ec44ea739bba1e5645cff83c9048ff1
Status: Downloaded newer image for alpine:latest

上面拉去過程只會產生一個Layer，我們可以通過docker images --digests命令查看拉取的鏡像，注意Image ID和digest的區別。

[root@docker-learn docker]# docker images --digests
REPOSITORY          TAG                 DIGEST                                                                    IMAGE ID            CREATED             SIZE
alpine              latest              sha256:46e71df1e5191ab8b8034c5189e325258ec44ea739bba1e5645cff83c9048ff1   3f53bb00af94        8 days ago          4.41MB

此時，我們可以再看文件系統的變化，爲了方便，只展示image目錄：

image/
└── overlay2
    ├── distribution
    │   ├── diffid-by-digest
    │   │   └── sha256
    │   │       └── cd784148e3483c2c86c50a48e535302ab0288bebd587accf40b714fffd0646b3
    │   └── v2metadata-by-diffid
    │       └── sha256
    │           └── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
    ├── imagedb
    │   ├── content
    │   │   └── sha256
    │   │       └── 3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991
    │   └── metadata
    │       └── sha256
    ├── layerdb
    │   ├── sha256
    │   │   └── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
    │   │       ├── cache-id
    │   │       ├── diff
    │   │       ├── size
    │   │       └── tar-split.json.gz
    │   └── tmp
    └── repositories.json

repositories.json

這個文件存儲了本地的所有images列表，裏面目前包含了兩個，"alpine:latest"和"alpine@sha256:46e71df1e5191ab8b8034c5189e325258ec44ea739bba1e5645cff83c9048ff1"，其實這兩個是同一個鏡像，你可以在剛剛docker images --digests看到，前者是tag，後者是digest(docker inspect 3f53bb00af94也可以看到相同的效果)。

{
    "Repositories": {
        "alpine": {
            "alpine:latest": "sha256:3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991",
            "alpine@sha256:46e71df1e5191ab8b8034c5189e325258ec44ea739bba1e5645cff83c9048ff1": "sha256:3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991"
        }
    }
}

imagedb目錄

imagedb/
├── content
│   └── sha256
│       └── 3f53bb00af9......
└── metadata
    └── sha256

該目錄存儲了鏡像的相關信息，每個鏡像的內容都包含在自己的目錄下，目錄名即爲該鏡像的Image ID。
首先是metadata目錄，該目錄保存每個鏡像的parent鏡像ID，因爲這裏的alpine:lasted鏡像沒有更上層的鏡像，所以目錄爲空，後續我們使用docker build構建一個鏡像，再進一步分析。
其次是content目錄，該目錄下存儲了鏡像的JSON格式描述信息：

{
    "architecture": "amd64",
    "config": {
        "ArgsEscaped": true,
        "AttachStderr": false,
        "AttachStdin": false,
        "AttachStdout": false,
        "Cmd": [
            "/bin/sh"
        ],
        "Domainname": "",
        "Entrypoint": null,
        "Env": [
            "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"
        ],
        "Hostname": "",
        "Image": "sha256:49573004c44f9413c7db63cbab336356e7a8843139fca5e68f92d84a56f0e6df",
        "Labels": null,
        "OnBuild": null,
        "OpenStdin": false,
        "StdinOnce": false,
        "Tty": false,
        "User": "",
        "Volumes": null,
        "WorkingDir": ""
    },
    "container": "c44d11fa67899a984d66f5542092b474f11ca95cc9b03b1470546f16ec8ce74f",
    "container_config": {
        "ArgsEscaped": true,
        "AttachStderr": false,
        "AttachStdin": false,
        "AttachStdout": false,
        "Cmd": [
            "/bin/sh",
            "-c",
            "#(nop) ",
            "CMD [\"/bin/sh\"]"
        ],
        "Domainname": "",
        "Entrypoint": null,
        "Env": [
            "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"
        ],
        "Hostname": "c44d11fa6789",
        "Image": "sha256:49573004c44f9413c7db63cbab336356e7a8843139fca5e68f92d84a56f0e6df",
        "Labels": {},
        "OnBuild": null,
        "OpenStdin": false,
        "StdinOnce": false,
        "Tty": false,
        "User": "",
        "Volumes": null,
        "WorkingDir": ""
    },
    "created": "2018-12-21T00:21:30.122610396Z",
    "docker_version": "18.06.1-ce",
    "history": [
        {
            "created": "2018-12-21T00:21:29.97055571Z",
            "created_by": "/bin/sh -c #(nop) ADD file:2ff00caea4e83dfade726ca47e3c795a1e9acb8ac24e392785c474ecf9a621f2 in / "
        },
        {
            "created": "2018-12-21T00:21:30.122610396Z",
            "created_by": "/bin/sh -c #(nop)  CMD [\"/bin/sh\"]",
            "empty_layer": true
        }
    ],
    "os": "linux",
    "rootfs": {
        "diff_ids": [
            "sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8"
        ],
        "type": "layers"
    }
}

解釋以下主要的幾個部分：

• config: 未來根據這個image啓動container時，config裏面的配置就是運行container時的默認參數。
• container: 此處爲一個容器ID，一般我們執行docker build構建鏡像時，可以看見是不斷地生成新的container，然後提交爲新的image，此處的容器ID即生成該鏡像時臨時容器的ID，後面通過docker build構建鏡像會進一步驗證。
• container_config：上述臨時容器的配置，可以對比containner_config與config的內容，字段完全一致，驗證了config的作用。
• history：構建該鏡像的所有歷史命令
• rootfs：該鏡像包含的layer層的diff id。

layerdb目錄

和imagedb目錄一樣，根據命名即可理解該目錄主要用來存儲Docker的Layer信息，在只有一個alpine:lasted鏡像的情況下，目錄結構如下：

layerdb/
├── sha256
│   └── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
│       ├── cache-id
│       ├── diff
│       ├── size
│       └── tar-split.json.gz
└── tmp

在我們docker pull alpine:lasted的時候，可以發現只pull了一層，而在上面imagedb/content中的鏡像信息中，rootfs中也只有一個diff，因此，與此處的一個Layer層吻合。但是，需要注意此處的 7bff100f35... 與rootfs中的diff_id 7bff100f35...雖然值一樣，但是含義並不相同，此處標識Layer的Chain ID，之所以此處一致，是因爲在只有一層Layer，沒有parent時，diff id與chain id相等，後面我們構建test-image後再來分析即可看出區別。
在改Layer的目錄下，包含四個文件：

• diff：該Layer層的diff id

  [root@docker-learn overlay2]# cat layerdb/sha256/7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8/diff
  sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8

  如上面所述，最底層的Layer具有相同的chain id 和 diff id

• size：該Layer的大小，單位字節

  [root@docker-learn overlay2]# cat layerdb/sha256/7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8/size
  4413428

  在docker images中，我們可以看到alpine鏡像的大小爲4.41MB，將此處的大小進行換算 4413428/(1024*1024)，發現大小不一致，第一反應是Image相對於Layer還增加了其他信息，但是理論上似乎無法解釋，於是使用docker inspect alpine查看了鏡像的具體信息，發現其中Size: 4413428，與該處數值一直，那麼4.41M應該是4413428/(1000000)計算得來，後面我們會使用test-image鏡像進一步驗證。

• tar-split.json.gz：layer層數據tar壓縮包的split文件

  該文件生成需要依賴tar-split，通過這個文件可以還原layer的tar包。

• cache_id：內容爲一個uuid，指向Layer本地的真正存儲位置。

  [root@docker-learn layerdb]# cat sha256/7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8/cache-id 
  281c53a74496be2bfcf921ceee5ec2d95139c43fec165ab667a77899b3691d56

  那麼Layer本地真正的存儲位置又在何處呢？便是上面提到的/var/lib/docker/overlay2目錄下：

  [root@docker-learn overlay2]# ls
  281c53a74496be2bfcf921ceee5ec2d95139c43fec165ab667a77899b3691d56  backingFsBlockDev  l

需要注意，layerdb目錄下除了diff、size、cache_id和tar-split.json.gz文件，還應該包括一個parent文件，文件存儲了當前Layer層的父層chain_id，因爲當前alpine鏡像只有一層，所以也就沒有parent。

distribution目錄

該目錄包含了Layer層diif id和digest之間的對應關係。

[root@docker-learn overlay2]# tree distribution/
distribution/
├── diffid-by-digest
│   └── sha256
│       └── cd784148e3483c2c86c50a48e535302ab0288bebd587accf40b714fffd0646b3
└── v2metadata-by-diffid
    └── sha256
        └── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8

4 directories, 2 files

v2metadata-by-diffid目錄下，我們可以通過Layer的diff id找到對應的digest，並且包含了生成該digest的源倉庫。

[
    {
        "Digest": "sha256:cd784148e3483c2c86c50a48e535302ab0288bebd587accf40b714fffd0646b3",
        "HMAC": "",
        "SourceRepository": "docker.io/library/alpine"
    }
]

diffid-by-digest目錄則與v2metadata-by-diffid相反

[root@docker-learn overlay2]# cat distribution/diffid-by-digest/sha256/cd784148e3483c2c86c50a48e535302ab0288bebd587accf40b714fffd0646b3 
sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8

到這裏爲止，基於最簡單的alpine鏡像，我們看到了Image的本地目錄結構，以及每一個目錄或文件大概的作用。但是，因爲該鏡像只有一層，很多關聯關係並沒有很好的體現，接下來用一個稍微複雜的鏡像再過一遍上述過程。

基於docker build test-image進一步理解目錄結構

一個簡單的dockerfile構建test-image

FROM alpine

LABEL name="test-image"

RUN apk -v add --no-cache bash 
RUN apk -v add --no-cache curl
COPY ./startService.sh /

CMD ["/bin/bash", "/startService.sh"]

構建過程輸出如下：

[root@docker-learn docker]# docker build -t test-image .
Sending build context to Docker daemon  3.072kB
Step 1/6 : FROM alpine
 ---> 3f53bb00af94
Step 2/6 : LABEL name="test-image"
 ---> Running in 3bd6320fc291
Removing intermediate container 3bd6320fc291
 ---> bb97dd1fb1a1
Step 3/6 : RUN apk -v add --no-cache bash
 ---> Running in f9987ff57ad7
fetch http://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/v3.8/main/x86_64/APKINDEX.tar.gz
fetch http://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/v3.8/community/x86_64/APKINDEX.tar.gz
(1/5) Installing ncurses-terminfo-base (6.1_p20180818-r1)
(2/5) Installing ncurses-terminfo (6.1_p20180818-r1)
(3/5) Installing ncurses-libs (6.1_p20180818-r1)
(4/5) Installing readline (7.0.003-r0)
(5/5) Installing bash (4.4.19-r1)
Executing bash-4.4.19-r1.post-install
Executing busybox-1.28.4-r2.trigger
OK: 18 packages, 136 dirs, 2877 files, 13 MiB
Removing intermediate container f9987ff57ad7
 ---> a5635f1b1d00
Step 4/6 : RUN apk -v add --no-cache curl
 ---> Running in c49fb2e4b311
fetch http://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/v3.8/main/x86_64/APKINDEX.tar.gz
fetch http://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/v3.8/community/x86_64/APKINDEX.tar.gz
(1/5) Installing ca-certificates (20171114-r3)
(2/5) Installing nghttp2-libs (1.32.0-r0)
(3/5) Installing libssh2 (1.8.0-r3)
(4/5) Installing libcurl (7.61.1-r1)
(5/5) Installing curl (7.61.1-r1)
Executing busybox-1.28.4-r2.trigger
Executing ca-certificates-20171114-r3.trigger
OK: 23 packages, 141 dirs, 3040 files, 15 MiB
Removing intermediate container c49fb2e4b311
 ---> 9156d1521a2f
Step 5/6 : COPY ./startService.sh /
 ---> 704626646baf
Step 6/6 : CMD ["/bin/bash", "/startService.sh"]
 ---> Running in 1c5e6e861264
Removing intermediate container 1c5e6e861264
 ---> 6cd0a66e83f1
Successfully built 6cd0a66e83f1
Successfully tagged test-image:latest

鏡像build過程可以理解爲基於一個鏡像啓動一個容器，在容器內執行Dockerfile裏的一條命令，生成一個新的鏡像。根據上述的輸入，test-image的構建過程可以表示爲：

最終生成的test-image鏡像ID爲 6cd0a66e83f1，我們從該鏡像開始，再一次分析本地目錄。首先查看鏡像的基本信息：

[root@docker-learn docker]# docker images --digests test-image
REPOSITORY          TAG                 DIGEST              IMAGE ID            CREATED             SIZE
test-image          latest              <none>              6cd0a66e83f1        About an hour ago   9.88MB

如前面所述，digest是有docker repository生成，因爲本地構建完之後並沒有推送至遠程倉庫，所以爲None。此時，image目錄發生瞭如下變化:

image/
└── overlay2
    ├── distribution
    │   ├── diffid-by-digest
    │   │   └── sha256
    │   │       └── cd784148e3483c2c86c50a48e535302ab0288bebd587accf40b714fffd0646b3
    │   └── v2metadata-by-diffid
    │       └── sha256
    │           └── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
    ├── imagedb
    │   ├── content
    │   │   └── sha256
    │   │       ├── 3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991
    │   │       ├── 6cd0a66e83f133a2bad37103ed03f6480330fa3c469368eb5871320996d3b924
    │   │       ├── 704626646baf8bdea82da237819cded076a0852eb97dba2fc731569dd85ae836
    │   │       ├── 9156d1521a2fd50d972e1e1abc30d37df7c8e8f7825ca5955170f3b5441b3341
    │   │       ├── a5635f1b1d0078cd926f21ef3ed77b357aa899ac0c8bf80cae51c37129167e3a
    │   │       └── bb97dd1fb1a10b717655594950efb4605ff0d3f2f631feafc4558836c2b34c3c
    │   └── metadata
    │       └── sha256
    │           ├── 6cd0a66e83f133a2bad37103ed03f6480330fa3c469368eb5871320996d3b924
    │           │   ├── lastUpdated
    │           │   └── parent
    │           ├── 704626646baf8bdea82da237819cded076a0852eb97dba2fc731569dd85ae836
    │           │   └── parent
    │           ├── 9156d1521a2fd50d972e1e1abc30d37df7c8e8f7825ca5955170f3b5441b3341
    │           │   └── parent
    │           ├── a5635f1b1d0078cd926f21ef3ed77b357aa899ac0c8bf80cae51c37129167e3a
    │           │   └── parent
    │           └── bb97dd1fb1a10b717655594950efb4605ff0d3f2f631feafc4558836c2b34c3c
    │               └── parent
    ├── layerdb
    │   ├── mounts
    │   ├── sha256
    │   │   ├── 0e88764cdf90e8a5d6597b2d8e65b8f70e7b62982b0aee934195b54600320d47
    │   │   │   ├── cache-id
    │   │   │   ├── diff
    │   │   │   ├── parent
    │   │   │   ├── size
    │   │   │   └── tar-split.json.gz
    │   │   ├── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
    │   │   │   ├── cache-id
    │   │   │   ├── diff
    │   │   │   ├── size
    │   │   │   └── tar-split.json.gz
    │   │   ├── 80fe1abae43103e3be54ac2813114d1dea6fc91454a3369104b8dd6e2b1363f5
    │   │   │   ├── cache-id
    │   │   │   ├── diff
    │   │   │   ├── parent
    │   │   │   ├── size
    │   │   │   └── tar-split.json.gz
    │   │   └── db7c15c2f03f63a658285a55edc0a0012ccd0033f4695d4b428b1b464637e655
    │   │       ├── cache-id
    │   │       ├── diff
    │   │       ├── parent
    │   │       ├── size
    │   │       └── tar-split.json.gz
    │   └── tmp
    └── repositories.json

可以看到，相比於只有alpine鏡像的時候，在imagedb的content和metadata下，增加了build過程中產生的鏡像（鏡像ID能夠一一對應），在layerdb下增加了三個Layer，目前還看不出來關聯關係，後續分析。

repositories.json

[root@docker-learn docker]# cat image/overlay2/repositories.json | python -m json.tool
{
    "Repositories": {
        "alpine": {
            "alpine:latest": "sha256:3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991",
            "alpine@sha256:46e71df1e5191ab8b8034c5189e325258ec44ea739bba1e5645cff83c9048ff1": "sha256:3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991"
        },
        "test-image": {
            "test-image:latest": "sha256:6cd0a66e83f133a2bad37103ed03f6480330fa3c469368eb5871320996d3b924"
        }
    }
}

可以看見，增加了test-image這一項，包含其tag和id。

imagedb目錄

[root@docker-learn overlay2]# tree imagedb/
imagedb/
├── content
│   └── sha256
│       ├── 3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991
│       ├── 6cd0a66e83f133a2bad37103ed03f6480330fa3c469368eb5871320996d3b924
│       ├── 704626646baf8bdea82da237819cded076a0852eb97dba2fc731569dd85ae836
│       ├── 9156d1521a2fd50d972e1e1abc30d37df7c8e8f7825ca5955170f3b5441b3341
│       ├── a5635f1b1d0078cd926f21ef3ed77b357aa899ac0c8bf80cae51c37129167e3a
│       └── bb97dd1fb1a10b717655594950efb4605ff0d3f2f631feafc4558836c2b34c3c
└── metadata
    └── sha256
        ├── 6cd0a66e83f133a2bad37103ed03f6480330fa3c469368eb5871320996d3b924
        │   ├── lastUpdated
        │   └── parent
        ├── 704626646baf8bdea82da237819cded076a0852eb97dba2fc731569dd85ae836
        │   └── parent
        ├── 9156d1521a2fd50d972e1e1abc30d37df7c8e8f7825ca5955170f3b5441b3341
        │   └── parent
        ├── a5635f1b1d0078cd926f21ef3ed77b357aa899ac0c8bf80cae51c37129167e3a
        │   └── parent
        └── bb97dd1fb1a10b717655594950efb4605ff0d3f2f631feafc4558836c2b34c3c
            └── parent

9 directories, 12 files

在構建test-image之前，metadata目錄爲空，因爲alpine沒有parent，在build之後，新增了5個目錄，分別對應docker build test-image所產生的5個鏡像，每一層以上一層爲parent，即parent文件中存儲了上一層image id。
content目錄中，相比於構建test-image之前，也多了上述5個鏡像的內容，以test-image爲例（目前的最底層鏡像），查看其描述信息：

{
    "architecture": "amd64",
    "config": {
        "ArgsEscaped": true,
        "AttachStderr": false,
        "AttachStdin": false,
        "AttachStdout": false,
        "Cmd": [
            "/bin/bash",
            "/startService.sh"
        ],
        "Domainname": "",
        "Entrypoint": null,
        "Env": [
            "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"
        ],
        "Hostname": "",
        "Image": "sha256:704626646baf8bdea82da237819cded076a0852eb97dba2fc731569dd85ae836",
        "Labels": {
            "name": "test-image"
        },
        "OnBuild": null,
        "OpenStdin": false,
        "StdinOnce": false,
        "Tty": false,
        "User": "",
        "Volumes": null,
        "WorkingDir": ""
    },
    "container": "1c5e6e861264654f79a190eba5157dd4dedce59ab3de098a3625fb4e5b6f1d98",
    "container_config": {
        "ArgsEscaped": true,
        "AttachStderr": false,
        "AttachStdin": false,
        "AttachStdout": false,
        "Cmd": [
            "/bin/sh",
            "-c",
            "#(nop) ",
            "CMD [\"/bin/bash\" \"/startService.sh\"]"
        ],
        "Domainname": "",
        "Entrypoint": null,
        "Env": [
            "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"
        ],
        "Hostname": "1c5e6e861264",
        "Image": "sha256:704626646baf8bdea82da237819cded076a0852eb97dba2fc731569dd85ae836",
        "Labels": {
            "name": "test-image"
        },
        "OnBuild": null,
        "OpenStdin": false,
        "StdinOnce": false,
        "Tty": false,
        "User": "",
        "Volumes": null,
        "WorkingDir": ""
    },
    "created": "2019-01-01T02:29:19.701494089Z",
    "docker_version": "18.09.0",
    "history": [
        {
            "created": "2018-12-21T00:21:29.97055571Z",
            "created_by": "/bin/sh -c #(nop) ADD file:2ff00caea4e83dfade726ca47e3c795a1e9acb8ac24e392785c474ecf9a621f2 in / "
        },
        {
            "created": "2018-12-21T00:21:30.122610396Z",
            "created_by": "/bin/sh -c #(nop)  CMD [\"/bin/sh\"]",
            "empty_layer": true
        },
        {
            "created": "2019-01-01T02:29:06.530296297Z",
            "created_by": "/bin/sh -c #(nop)  LABEL name=test-image",
            "empty_layer": true
        },
        {
            "created": "2019-01-01T02:29:14.182236016Z",
            "created_by": "/bin/sh -c apk -v add --no-cache bash"
        },
        {
            "created": "2019-01-01T02:29:19.327280058Z",
            "created_by": "/bin/sh -c apk -v add --no-cache curl"
        },
        {
            "created": "2019-01-01T02:29:19.549474383Z",
            "created_by": "/bin/sh -c #(nop) COPY file:fff66db7f2d773b25215edcc9d5697d84813835e3b731e5a6afe9a9b9647ecec in / "
        },
        {
            "created": "2019-01-01T02:29:19.701494089Z",
            "created_by": "/bin/sh -c #(nop)  CMD [\"/bin/bash\" \"/startService.sh\"]",
            "empty_layer": true
        }
    ],
    "os": "linux",
    "rootfs": {
        "diff_ids": [
            "sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8",
            "sha256:b1ddbff022577cd249a074285a1a7eb76d7c9139132ba5aa4272fc115dfa9e36",
            "sha256:9edc93f4dcf640f272ed73f933863dbefae6719745093d09c6c6908f402b1c34",
            "sha256:a6c8828ba4b58628284f783d3c918ac379ae2aba0830f4c926a330842361ffb6"
        ],
        "type": "layers"
    }
}

主要注意一下幾個參數：

• container: 這裏的容器ID可以與圖XX中生成該image的容器ID對應上。
• container_config：容器配置狀態，可以看出是執行完dockerfile中命令之後的容器狀態。
• rootfs：鏡像包含的Layer的diff id，可以看出test-image鏡像包含了四個Layer。當我第一次分析這裏的時候，有一點點困惑，在我想象中Dockerfile中的每一條命令對應一個Layer，也就是一個diff id，但是在dockerfile中包含6條命令，這裏卻只有四層，進一步整理並分析每一個image的rootfs，如下圖2所示。可以看到，在 LABEL name="test-image"和CMD ["/bin/bash", "/startService.sh"]這兩行並未產生新的Layer。事實上，如果我們認爲鏡像是一個打包的靜態OS，那麼Layer可以認爲是描述該OS的fs變化，即文件系統中文件或者目錄發生的改變，很明顯上述兩行命令並不會引起fs的變化，只是會寫入該鏡像的config中，在生成容器時讀取即可，自然也就不存在diff id。

至此，解釋完了Image相關的目錄，總結一下，單個Image的配置信息在content目錄中，以image id爲文件名存儲，Image之間關聯信息在metadata中，以parent文件存儲。然後，我們根據image生成容器的時候，可是生成了一個文件系統，但是上述這些信息並不包含fs的數據。因爲真正的fs數據是存儲在Layer中的。如前面所述，Layer的信息存儲在layerdb目錄下，所以我們轉戰layerdb目錄。

layerdb目錄

[root@docker-learn overlay2]# tree layerdb/
layerdb/
├── mounts
├── sha256
│   ├── 0e88764cdf90e8a5d6597b2d8e65b8f70e7b62982b0aee934195b54600320d47
│   │   ├── cache-id
│   │   ├── diff
│   │   ├── parent
│   │   ├── size
│   │   └── tar-split.json.gz
│   ├── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
│   │   ├── cache-id
│   │   ├── diff
│   │   ├── size
│   │   └── tar-split.json.gz
│   ├── 80fe1abae43103e3be54ac2813114d1dea6fc91454a3369104b8dd6e2b1363f5
│   │   ├── cache-id
│   │   ├── diff
│   │   ├── parent
│   │   ├── size
│   │   └── tar-split.json.gz
│   └── db7c15c2f03f63a658285a55edc0a0012ccd0033f4695d4b428b1b464637e655
│       ├── cache-id
│       ├── diff
│       ├── parent
│       ├── size
│       └── tar-split.json.gz
└── tmp

相比於只有alpine鏡像時，首先，layerdb目錄多了一個mounts目錄，簡單來說，當由鏡像生成容器時，該目錄下會生成容器的可讀可寫兩個layer，可讀即爲由鏡像生成，而可寫就是未來對容器的修改都會放在着了，因爲本文只討論鏡像，這個目錄就不再深入分析。

其次，目前Layer已經增加至4個，這與我們上一節中看到的test-image的rootfs配置中有4個layer diif id能夠對應上，然後，很顯然除了第一層的"7bff100f35cb"能對應上，其他三個完全不同。進一步研究才知道這裏目錄名其實是layer的chain id，而非diff id，關於這兩這個的區別，我們可以理解爲diff id用來描述單個變化，而chain id用來便於一些列的變化，diff id和chain id之間的計算公式可以在image-spec中看到。

ChainID(A) = DiffID(A)
ChainID(A|B) = Digest(ChainID(A) + " " + DiffID(B))
ChainID(A|B|C) = Digest(ChainID(A|B) + " " + DiffID(C))

在這裏以test-image的rootfs驗證分析他們是如何關聯的。

"rootfs": {
    "diff_ids": [
        "sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8",
        "sha256:b1ddbff022577cd249a074285a1a7eb76d7c9139132ba5aa4272fc115dfa9e36",
        "sha256:9edc93f4dcf640f272ed73f933863dbefae6719745093d09c6c6908f402b1c34",
        "sha256:a6c8828ba4b58628284f783d3c918ac379ae2aba0830f4c926a330842361ffb6"
    ],
    "type": "layers"
}

ChainID(A) = DiffID(A) = sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8

ChainID(A|B) = Digest(ChainID(A) + " " + DiffID(B))
ChainID(A) = sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
DiffID(B) = sha256:b1ddbff022577cd249a074285a1a7eb76d7c9139132ba5aa4272fc115dfa9e36
計算：
[root@docker-learn overlay2]# echo -n "sha256:7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8 sha256:b1ddbff022577cd249a074285a1a7eb76d7c9139132ba5aa4272fc115dfa9e36" | sha256sum -
db7c15c2f03f63a658285a55edc0a0012ccd0033f4695d4b428b1b464637e655  -

結果：
ChainID(A|B) = sha256:db7c15c2f03f63a658285a55edc0a0012ccd0033f4695d4b428b1b464637e655
chainID(A|B|C) = sha256:0e88764cdf90e8a5d6597b2d8e65b8f70e7b62982b0aee934195b54600320d47
chainID(A|B|C|D) = sha256:80fe1abae43103e3be54ac2813114d1dea6fc91454a3369104b8dd6e2b1363f5

][3]

因此，test-image的第二層Layer對應的目錄爲：layerdb/sha256/db7c15c2f03f63a658285a55edc0a0012ccd0033f4695d4b428b1b464637e655，查看該Layer的信息：

[root@docker-learn sha256]# ls db7c15c2f03f63a658285a55edc0a0012ccd0033f4695d4b428b1b464637e655/
cache-id  diff  parent  size  tar-split.json.gz

與上一節中相比多了parent，包含了上一層Layer的chain id。

destribution目錄

[root@docker-learn overlay2]# tree distribution/
distribution/
├── diffid-by-digest
│   └── sha256
│       └── cd784148e3483c2c86c50a48e535302ab0288bebd587accf40b714fffd0646b3
└── v2metadata-by-diffid
    └── sha256
        └── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8

4 directories, 2 files

目前來看，destribution目錄和只有alpine鏡像時並沒有什麼區別，這是因爲digest是由鏡像倉庫生成，本地構建的鏡像在沒有push到倉庫之前，自然也就沒有digest。使用docker push命令將test-image推送至dockerhub。

[root@docker-learn distribution]# docker push backbp/test-image:lasted
The push refers to repository [docker.io/backbp/test-image]
a6c8828ba4b5: Pushed 
9edc93f4dcf6: Pushed 
b1ddbff02257: Pushed 
7bff100f35cb: Mounted from library/alpine 
lasted: digest: sha256:3dc66a43c28ea3e994e4abf6a2d04c7027a9330e8eeab5c609e4971a8c58f0b0 size: 1156

根據過程輸出，我們可以看到雖然test-image鏡像包括四層Layer，但是因爲最底層的7bff100f35cb本來就是在docker pull alpine時，拉取得來，自然也就不需要再push，因此真正push的只有三層。而現在destribution目錄也已經增加了對應Layer的digest，Image的digest可以在上面的過程輸出中看到。

distribution/
├── diffid-by-digest
│   └── sha256
│       ├── 2826782ee82560ec5f90a8a9da80880d48dd4036763f5250024fab5b3ef8e8cf
│       ├── 8e905c02e6908fbb0e591cea285470208920d32408735bd6a8fcaf85ffba9089
│       ├── a5bec9983f6902f4901b38735db9c427190ffcb3734c84ee233ea391da81081b
│       └── cd784148e3483c2c86c50a48e535302ab0288bebd587accf40b714fffd0646b3
└── v2metadata-by-diffid
    └── sha256
        ├── 7bff100f35cb359a368537bb07829b055fe8e0b1cb01085a3a628ae9c187c7b8
        ├── 9edc93f4dcf640f272ed73f933863dbefae6719745093d09c6c6908f402b1c34
        ├── a6c8828ba4b58628284f783d3c918ac379ae2aba0830f4c926a330842361ffb6
        └── b1ddbff022577cd249a074285a1a7eb76d7c9139132ba5aa4272fc115dfa9e36

拓展思考

docker tag命令發生了什麼？

我們通過基於test-image生成一個新的tag，test-image-tag

[root@docker-learn overlay2]# docker tag test-image test-image-tag
[root@docker-learn overlay2]# docker images
REPOSITORY          TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
test-image-tag      latest              6cd0a66e83f1        4 hours ago         9.88MB
test-image          latest              6cd0a66e83f1        4 hours ago         9.88MB
alpine              latest              3f53bb00af94        11 days ago         4.41MB

查看repositories.json文件會發現兩個tag的鏡像都指向同一個image id，所以這個命令相當於只有修改了repositories.json。

[root@docker-learn overlay2]# cat repositories.json | python -m json.tool
{
    "Repositories": {
        "alpine": {
            "alpine:latest": "sha256:3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991",
            "alpine@sha256:46e71df1e5191ab8b8034c5189e325258ec44ea739bba1e5645cff83c9048ff1": "sha256:3f53bb00af943dfdf815650be70c0fa7b426e56a66f5e3362b47a129d57d5991"
        },
        "test-image": {
            "test-image:latest": "sha256:6cd0a66e83f133a2bad37103ed03f6480330fa3c469368eb5871320996d3b924"
        },
        "test-image-tag": {
            "test-image-tag:latest": "sha256:6cd0a66e83f133a2bad37103ed03f6480330fa3c469368eb5871320996d3b924"
        }
    }
}

Image Size是如何計算的？

上述的alpine鏡像和test-image鏡像大小分別是：4.41M和9.88M。爲了更準確的分析，可以使用docker inspect 鏡像查看詳細大小，分別爲4413428和9876099。
再次查看每層Layer的大小(layerdb/layer chain id/size)，分別爲

• Layer1：4413428
• Layer2：3815516
• Layer3：1647117
• Layer4：38

alpine只有一層，所以image size與Layer size相等；test-image有四層，所以image size = sum(Layer1+Layer2+Layer3+Layer4)=9876099

回到最初的問題

完成上面的分析，現在再回頭看最初的問題，在apk del .build-deps這一層中，執行完之後生成的Layer只是記錄相對於上一層刪除了安裝包，在計算Image size時(或者說在根據Layer合併Image時)，因爲安裝.build-deps而帶來的變換依然存在於app add這一層Layer中，所以大小並不會減小。如果將add和del放在同一個命令內，那麼生成的該層Layer記錄的是相對於上一層的變化，.build-deps的安裝和卸載相對於上一層而言，根本就不存在，所以Layer中也就完全不存在。
說到底，還是OCI Image的原理所致，最需要記住的是每一個Layer記錄的是與上一層Layer相比的變化。

參考

image-spec