第2课: 镜像管理

深入理解Docker镜像的分层存储和生命周期管理

Docker镜像技术深度解析

Docker镜像是容器技术的核心，理解其工作原理对于高效使用Docker至关重要。

镜像的分层存储机制

Docker镜像采用联合文件系统（Union File System）实现分层存储，这是Docker高效性的关键所在。

FROM ubuntu:20.04          # 基础层：操作系统层
RUN apt-get update         # 层1：包管理更新
RUN apt-get install nginx  # 层2：安装nginx
COPY index.html /var/www/  # 层3：复制网站文件
EXPOSE 80                  # 层4：暴露端口（元数据层）
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]  # 层5：启动命令

镜像的组成要素

镜像的标识和寻址

Docker使用内容寻址（Content Addressable）机制来标识镜像：

• 镜像ID：基于镜像内容的SHA256哈希值，确保唯一性
• 标签（Tag）：人类可读的标识，如latest、v1.0
• 摘要（Digest）：镜像内容的密码学哈希，用于验证完整性

镜像操作：从搜索到管理

搜索镜像

在拉取镜像之前，通常需要先搜索可用的镜像：

# 基本搜索：在Docker Hub搜索nginx相关镜像
docker search nginx

# 过滤搜索结果：只显示官方镜像
docker search --filter "is-official=true" nginx

# 高级过滤：按星级和自动构建状态过滤
docker search --filter "stars=100" --filter "is-automated=true" python

# 限制显示数量：只显示前5个结果
docker search --limit 5 redis

# 搜索特定用户的镜像
docker search --filter "is-official=false" user/nginx

拉取镜像

拉取镜像时需要注意版本控制和平台兼容性：

# 拉取最新版本（不推荐在生产环境使用）
docker pull nginx

# 拉取指定版本（推荐）
docker pull nginx:1.21.6

# 拉取特定平台的镜像
docker pull --platform linux/amd64 nginx:alpine

# 从第三方仓库拉取（如国内镜像源）
docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/library/nginx:latest

# 拉取并显示详细信息
docker pull --progress=plain nginx

# 拉取所有标签的镜像（谨慎使用）
docker pull --all-tags nginx

查看和管理镜像

了解如何查看镜像的详细信息和管理本地镜像：

# 列出所有本地镜像
docker images

# 列出镜像（自定义格式）
docker images --format "table {{.Repository}}\t{{.Tag}}\t{{.ID}}\t{{.Size}}"

# 按大小排序显示镜像
docker images --format "table {{.Repository}}\t{{.Tag}}\t{{.Size}}" | sort -k3 -h

# 查看镜像的详细信息（JSON格式）
docker inspect nginx:latest

# 查看镜像的历史记录（构建过程）
docker history nginx:latest

# 查看镜像的磁盘使用情况
docker system df

# 查看镜像的详细磁盘使用
docker system df -v

删除镜像

镜像管理的一个重要方面是清理不再需要的镜像：

# 删除单个镜像（按名称和标签）
docker rmi nginx:latest

# 删除单个镜像（按镜像ID）
docker rmi a8758716bb6a

# 删除多个镜像
docker rmi nginx:1.21 nginx:1.20 redis:6.2

# 强制删除镜像（即使有容器在使用）
docker rmi -f nginx:latest

# 删除所有未使用的镜像
docker image prune

# 删除所有未使用的镜像（包括悬空镜像）
docker image prune -a

# 删除所有本地镜像（谨慎使用）
docker rmi $(docker images -q)

# 按条件删除镜像（删除3天前的镜像）
docker image prune --filter "until=72h"

镜像的导出和导入

在离线环境或需要迁移镜像时，导出和导入功能非常有用：

# 导出镜像为tar文件（保留所有元数据）
docker save nginx:latest -o nginx.tar

# 导出多个镜像到一个文件
docker save nginx:latest redis:alpine -o images.tar

# 从tar文件导入镜像
docker load -i nginx.tar

# 导出容器为文件系统快照（不包含元数据）
docker export container_id > container.tar

# 从文件系统快照导入为镜像
docker import container.tar my-custom-image:latest

# 导入时添加元数据
docker import --change "ENV DEBUG=true" container.tar my-image:v1

镜像标签和推送

管理镜像标签和推送到仓库是团队协作的关键：

# 给镜像打上新的标签
docker tag nginx:latest myregistry.com/myteam/nginx:v1.0

# 给镜像打上多个标签
docker tag nginx:latest myregistry.com/myteam/nginx:latest
docker tag nginx:latest myregistry.com/myteam/nginx:1.21.6

# 登录到Docker Hub
docker login

# 登录到私有仓库
docker login myregistry.com

# 推送镜像到仓库
docker push myregistry.com/myteam/nginx:v1.0

# 推送所有标签的镜像
docker push --all-tags myregistry.com/myteam/nginx

# 登出仓库
docker logout myregistry.com

镜像命名规范

遵循良好的命名规范有助于镜像管理：

实践练习：镜像管理实战

通过以下练习来巩固镜像管理的各项技能：

基础操作练习

1. 搜索和拉取镜像：搜索nginx、python、redis的官方镜像，并拉取特定版本
2. 查看镜像信息：使用不同格式查看镜像列表，查看镜像的详细信息和历史记录
3. 镜像标签管理：给nginx镜像打上多个自定义标签，如myapp/nginx:v1.0、myapp/nginx:latest
4. 镜像导出导入：导出一个镜像为tar文件，删除原镜像，然后重新导入验证
5. 镜像清理：使用docker image prune清理所有未使用的镜像

进阶操作练习

6. 多平台镜像：尝试拉取不同平台的镜像（如linux/amd64、linux/arm64）
7. 镜像分层分析：使用docker history分析一个复杂镜像的分层结构
8. 磁盘空间管理：使用docker system df监控镜像的磁盘使用情况
9. 批量操作：编写脚本批量删除特定模式的镜像
10. 私有仓库操作：如果有私有仓库，练习登录、推送和拉取操作

故障排除和最佳实践

学习检查清单

完成本课后，你应该能够：

• ✅ 理解Docker镜像的分层存储机制和写时复制原理
• ✅ 熟练搜索、拉取、查看和管理Docker镜像
• ✅ 掌握镜像的导出、导入和标签管理操作
• ✅ 理解镜像命名规范并遵循最佳实践
• ✅ 有效管理本地镜像存储空间
• ✅ 处理常见的镜像管理问题和故障

扩展学习

如果你希望进一步深入学习，可以探索以下主题：

• Docker镜像的安全扫描工具（如Trivy、Clair）
• 镜像签名和内容信任（Docker Content Trust）
• 多架构镜像构建（支持不同CPU架构）
• 镜像仓库的高可用部署（如Harbor、Nexus）
• 镜像的自动化构建和分发流水线