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12.1 Arch

12_implementation/12.1_arch.md

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12.1 基本架构

Docker 的架构设计简洁而高效，主要由客户端和服务端两部分组成。

12.1.1 核心架构图

Docker 采用了 C/S (客户端/服务端) 架构。Client 向 Daemon 发送请求，Daemon 负责构建、运行和分发容器。

mermaid
graph LR
  C1["客户端"] -->|docker run| D["dockerd
守护进程"]
  C1 -->|docker pull| D
  D -->|管理| C2["Containers
容器"]
  D -->|管理| C3["Images
镜像"]

12.1.2 组件详解

Docker 的内部架构如同洋葱一样分层，每一层专注解决特定问题：

1. Docker CLI：客户端

用户与 Docker 交互的主要方式。它将用户命令 (如 docker run) 转换为 API 请求发送给 dockerd。

2. Dockerd：守护进程

Docker 的大脑。

  • 监听 API 请求
  • 管理 Docker 对象 (镜像、容器、网络、卷)
  • 编排下层组件完成工作

3. Containerd：高级运行时

行业标准的容器运行时 (CNCF 毕业项目)。

  • 管理容器的完整生命周期 (启动、停止)
  • 镜像拉取与存储
  • 不包含 复杂的与容器无关的功能 (如构建、API)
  • Kubernetes 也可以直接使用 containerd (跳过 Docker)

4. Runc：低级运行时

用于创建和运行容器的 CLI 工具。

  • 直接与内核交互 (Namespaces，Cgroups)
  • 遵循 OCI (Open Container Initiative) 规范
  • 主要职责：根据配置启动一个容器，然后退出 (将控制权交给容器进程)

5. Shim

每个容器都有一个 shim 进程。

  • 解耦：允许 dockerd 重启而不影响容器运行
  • 保持 IO：维持容器的标准输入输出
  • 状态汇报：向 containerd 汇报容器退出状态

12.1.3 容器启动流程

当执行 docker run -d nginx 时，内部发生了什么？

mermaid
flowchart TD
  U["用户"]
  K["docker run -d nginx"]
  D["Dockerd"]
  C["Containerd"]
  B["OCI Bundle"]
  S["Containerd-shim"]
  R["Runc"]
  P["容器进程
nginx"]
  E["退出"]

  U -->|1. REST API| D
  K -->|2. gRPC| C
  C -->|3. 准备镜像和 Bundle| B
  C -->|4. 启动 Shim| S
  S -->|5. 执行| R
  R -->|6. 创建 Namespaces 和 Cgroups| P
  R -->|7. 进程退出| E
  S -->|8. 监控 IO 和退出| P
  1. CLI 发送请求给 Dockerd
  2. Dockerd 解析请求，调用 Containerd
  3. Containerd 准备镜像，转换为 OCI Bundle
  4. Containerd 创建 Shim 进程
  5. Shim 调用 Runc
  6. Runc 与系统内核交互，创建 Namespaces 和 Cgroups
  7. Runc 启动 nginx 进程后退出
  8. Shim 接管容器 IO 和生命周期监控

12.1.4 Docker Engine v29.x 变化

从 Docker Engine v29.x 开始，架构进一步简化和标准化：

  • Containerd 镜像存储 (Image Store)：在 v29.x 的新安装场景中默认启用。Docker 直接使用 Containerd 的镜像管理能力，不再维护自己的一套 graphdriver。
    • 优势：多平台镜像支持更好、镜像拉取更快 (lazy pulling)、与 K8s 共享镜像。
  • 实验性 nftables 支持：随着主流 Linux 发行版逐步弃用 iptables，Docker v29.x 引入了实验性 nftables 后端。启用方式为 dockerd --firewall-backend=nftables，可直接创建 nftables 规则而无需依赖 iptables-nft 转换层。生产环境请谨慎使用。

12.1.5 Docker Desktop 架构

在 macOS 和 Windows 上，因为内核差异，架构稍微复杂：

mermaid
flowchart TD
    subgraph HostOS ["MacOS / Windows"]
        CLI["Docker CLI"]
        subgraph LinuxVM ["Linux VM (虚拟机)"]
            Engine["Dockerd <--> Containerd <--> Runc"]
        end
        CLI -- "(Socket 映射)" --> Engine
    end
  • 使用轻量级虚拟机 (Apple Virtualization / WSL 2) 运行 Linux 内核
  • 文件挂载 (Bind Mount) 需要跨越 VM 边界 (这也是文件 I/O 慢的原因)
  • 网络端口需要从宿主机转发到 VM

12.1.6 总结

组件角色关键职责
CLI指挥官发送指令，展示结果
Dockerd大管家API 接口，整体调度
Containerd经理容器生命周期，镜像管理
Shim监工保持 IO，允许无守护进程重启
Runc工人真正干活 (创建容器)，干完就走

12.1.7 延伸阅读