Docker镜像太大压缩减少99%

半兽人 发表于: 2020-05-26   最后更新时间: 2021-09-06 20:21:37  
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前文

当写好代码构建 Docker 镜像后，查看镜像大小，会发现非常的大，本示例来讲解如何减少镜像大小。

首先，编写一个 hello world C 示例程序：

/* hello.c */
int main () {
  puts("Hello, world!");
  return 0;
}

通过 Dockerfile 构建镜像：

FROM gcc
COPY hello.c .
RUN gcc -o hello hello.c
CMD ["./hello"]

构建成功的镜像大小超过1 GB，而我们的编译好的可执行文件还不到20 KB，这是因为该镜像包含了整个 gcc 镜像的内容。

$ ls -l hello
-rwxr-xr-x   1 root root 16384 Nov 18 14:36 hello

类似地，Go 语言版本的hello world也是一样：

package main

import "fmt"

func main () {
  fmt.Println("Hello, world!")
}

使用基础镜像 golang 构建的镜像大小是 800 MB，而编译后的可执行文件只有 2 MB 大小：

$ ls -l hello
-rwxr-xr-x 1 root root 2008801 Jan 15 16:41 hello

还是不太理想，有没有办法大幅度减少镜像的体积呢？往下看。

为了更直观地对比不同镜像的大小，所有镜像都使用相同的镜像名，不同的标签。例如：hello:gcc，hello:ubuntu，hello:thisweirdtrick 等等，这样就可以直接使用命令 docker images hello 列出所有镜像名为 hello 的镜像，不会被其他镜像所干扰。

多阶段构建

要想大幅度减少镜像的体积，多阶段构建是必不可少的。多阶段构建的想法很简单：“我不想在最终的镜像中包含一堆 C 或 Go 编译器和整个编译工具链，我只要一个编译好的可执行文件！”

多阶段构建可以由多个 FROM 指令识别，每一个 FROM 语句表示一个新的构建阶段，阶段名称可以用 AS 参数指定，例如：

FROM gcc AS mybuildstage
COPY hello.c .
RUN gcc -o hello hello.c
FROM ubuntu
COPY --from=mybuildstage hello .
CMD ["./hello"]

本例分两步：

  1. 基础镜像 gcc 来编译程序 hello.c
  2. 然后启动一个新的构建阶段，它以 ubuntu 作为基础镜像，将可执行文件 hello 从上一阶段拷贝到最终的镜像中。

最终的镜像大小是 64 MB，比之前的 1.1 GB 减少了 95%：

→ docker images minimage
REPOSITORY          TAG                    ...         SIZE
minimage            hello-c.gcc            ...         1.14GB
minimage            hello-c.gcc.ubuntu     ...         64.2MB

还能不能继续优化？当然能。在继续优化之前，先提醒一下：

在声明构建阶段时，可以不必使用关键词 AS，最终阶段拷贝文件时可以直接使用序号表示之前的构建阶段（从零开始）。也就是说，下面两行是等效的：

COPY --from=mybuildstage hello .
COPY --from=0 hello .

如果 Dockerfile 内容不是很复杂，构建阶段也不是很多，可以直接使用序号表示构建阶段。一旦 Dockerfile 变复杂了，构建阶段增多了，最好还是通过关键词 AS 为每个阶段命名，这样也便于后期维护。

使用经典的基础镜像

我强烈建议在构建的第一阶段使用经典的基础镜像，这里经典的镜像指的是 CentOS，Debian，Fedora 和 Ubuntu 之类的镜像。你可能还听说过 Alpine 镜像，不要用它！至少暂时不要用，后面我会告诉你有哪些坑。

COPY --from 使用绝对路径

从上一个构建阶段拷贝文件时，使用的路径是相对于上一阶段的根目录的。如果你使用 golang 镜像作为构建阶段的基础镜像，就会遇到类似的问题。假设使用下面的 Dockerfile 来构建镜像：

FROM golang
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM ubuntu
COPY --from=0 hello .
CMD ["./hello"]

你会看到这样的报错：

COPY failed: stat /var/lib/docker/overlay2/1be...868/merged/hello: no such file or directory

这是因为 COPY 命令想要拷贝的是 /hello，而 golang 镜像的 WORKDIR 是 /go，所以可执行文件的真正路径是 /go/hello。

当然你可以使用绝对路径来解决这个问题，但如果后面基础镜像改变了 WORKDIR 怎么办？你还得不断地修改绝对路径，所以这个方案还是不太优雅。最好的方法是在第一阶段指定 WORKDIR，在第二阶段使用绝对路径拷贝文件，这样即使基础镜像修改了 WORKDIR，也不会影响到镜像的构建。例如：

FROM golang
WORKDIR /src
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM ubuntu
COPY --from=0 /src/hello .
CMD ["./hello"]

最后的效果还是很惊人的，将镜像的体积直接从 800 MB 降低到了 66 MB：

→ docker images minimage
REPOSITORY     TAG                              ...    SIZE
minimage       hello-go.golang                  ...    805MB
minimage       hello-go.golang.ubuntu-workdir   ...    66.2MB

FROM scratch 的魔力

回到我们的 hello world，C 语言版本的程序大小为 16 kB，Go 语言版本的程序大小为 2 MB，那么我们到底能不能将镜像缩减到这么小？能否构建一个只包含我需要的程序，没有任何多余文件的镜像？

答案是肯定的，你只需要将多阶段构建的第二阶段的基础镜像改为 scratch 就好了。scratch 是一个虚拟镜像，不能被 pull，也不能运行，因为它表示空、nothing！这就意味着新镜像的构建是从零开始，不存在其他的镜像层。例如：

FROM golang
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM scratch
COPY --from=0 /go/hello .
CMD ["./hello"]

这一次构建的镜像大小正好就是 2 MB，完美了！
然而，但是，使用 scratch 作为基础镜像时会带来很多的不便。

缺少 shell

scratch 镜像的第一个不便是没有 shell，这就意味着 CMD/RUN 语句中不能使用字符串，例如：

...
FROM scratch
COPY --from=0 /go/hello .
CMD ./hello

如果你使用构建好的镜像创建并运行容器，就会遇到下面的报错：

docker: Error response from daemon: OCI runtime create failed: container_linux.go:345: starting container process caused "exec: \"/bin/sh\": stat /bin/sh: no such file or directory": unknown.

从报错信息可以看出，镜像中并不包含 /bin/sh，所以无法运行程序。这是因为当你在 CMD/RUN 语句中使用字符串作为参数时，这些参数会被放到 /bin/sh 中执行，也就是说，下面这两条语句是等效的：

CMD ./hello
CMD /bin/sh -c "./hello"

解决办法其实也很简单：使用 JSON 语法取代字符串语法。例如，将 CMD ./hello 替换为 CMD ["./hello"]，这样 Docker 就会直接运行程序，不会把它放到 shell 中运行。

缺少调试工具

scratch 镜像不包含任何调试工具，ls、ps、ping 这些统统没有，当然了，shell 也没有（上文提过了），你无法使用 docker exec 进入容器，也无法查看网络堆栈信息等等。

如果想查看容器中的文件，可以使用 docker cp；如果想查看或调试网络堆栈，可以使用 docker run --net container:，或者使用 nsenter；为了更好地调试容器，Kubernetes 也引入了一个新概念叫 Ephemeral Containers[1]，但现在还是 Alpha 特性。

虽然有这么多杂七杂八的方法可以帮助我们调试容器，但它们会将事情变得更加复杂，我们追求的是简单，越简单越好。

折中一下可以选择 busybox 或 alpine 镜像来替代 scratch，虽然它们多了那么几 MB，但从整体来看，这只是牺牲了少量的空间来换取调试的便利性，还是很值得的。

缺少 libc

这是最难解决的问题。使用 scratch 作为基础镜像时，Go 语言版本的 hello world 跑得很欢快，C 语言版本就不行了，或者换个更复杂的 Go 程序也是跑不起来的（例如用到了网络相关的工具包），你会遇到类似于下面的错误：

standard_init_linux.go:211: exec user process caused "no such file or directory"

从报错信息可以看出缺少文件，但没有告诉我们到底缺少哪些文件，其实这些文件就是程序运行所必需的动态库（dynamic library）。

那么，什么是动态库？为什么需要动态库？

所谓动态库、静态库，指的是程序编译的链接阶段，链接成可执行文件的方式。静态库指的是在链接阶段将汇编生成的目标文件.o 与引用到的库一起链接打包到可执行文件中，因此对应的链接方式称为静态链接（static linking）。而动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入，因此对应的链接方式称为动态链接（dynamic linking）。

90 年代的程序大多使用的是静态链接，因为当时的程序大多数都运行在软盘或者盒式磁带上，而且当时根本不存在标准库。这样程序在运行时与函数库再无瓜葛，移植方便。但对于 Linux 这样的分时系统，会在在同一块硬盘上并发运行多个程序，这些程序基本上都会用到标准的 C 库，这时使用动态链接的优点就体现出来了。使用动态链接时，可执行文件不包含标准库文件，只包含到这些库文件的索引。例如，某程序依赖于库文件 libtrigonometry.so 中的 cos 和 sin 函数，该程序运行时就会根据索引找到并加载 libtrigonometry.so，然后程序就可以调用这个库文件中的函数。

使用动态链接的好处显而易见：

  1. 节省磁盘空间，不同的程序可以共享常见的库。
  2. 节省内存，共享的库只需从磁盘中加载到内存一次，然后在不同的程序之间共享。
  3. 更便于维护，库文件更新后，不需要重新编译使用该库的所有程序。

严格来说，动态库与共享库（shared libraries）相结合才能达到节省内存的功效。Linux 中动态库的扩展名是 .so（ shared object），而 Windows 中动态库的扩展名是 .DLL（Dynamic-link library[2]）。

回到最初的问题，默认情况下，C 程序使用的是动态链接，Go 程序也是。上面的 hello world 程序使用了标准库文件 libc.so.6，所以只有镜像中包含该文件，程序才能正常运行。使用 scratch 作为基础镜像肯定是不行的，使用 busybox 和 alpine 也不行，因为 busybox 不包含标准库，而 alpine 使用的标准库是 musl libc，与大家常用的标准库 glibc 不兼容，后续的文章会详细解读，这里就不赘述了。

那么该如何解决标准库的问题呢？有三种方案。

1、使用静态库

我们可以让编译器使用静态库编译程序，办法有很多，如果使用 gcc 作为编译器，只需加上一个参数-static：

$ gcc -o hello hello.c -static

编译完的可执行文件大小为 760 kB，相比于之前的 16kB 是大了好多，这是因为可执行文件中包含了其运行所需要的库文件。编译完的程序就可以跑在 scratch 镜像中了。

如果使用 alpine 镜像作为基础镜像来编译，得到的可执行文件会更小（< 100kB），下篇文章会详述。

2、拷贝库文件到镜像中

为了找出程序运行需要哪些库文件，可以使用 ldd 工具：

$ ldd hello
    linux-vdso.so.1 (0x00007ffdf8acb000)
    libc.so.6 => /usr/lib/libc.so.6 (0x00007ff897ef6000)
    /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 => /usr/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007ff8980f7000)

从输出结果可知，该程序只需要 libc.so.6 这一个库文件。linux-vdso.so.1 与一种叫做 VDSO[3] 的机制有关，用来加速某些系统调用，可有可无。ld-linux-x86-64.so.2 表示动态链接器本身，包含了所有依赖的库文件的信息。

你可以选择将 ldd 列出的所有库文件拷贝到镜像中，但这会很难维护，特别是当程序有大量依赖库时。对于 hello world 程序来说，拷贝库文件完全没有问题，但对于更复杂的程序（例如使用到 DNS 的程序），就会遇到令人费解的问题：glibc（GNU C library）通过一种相当复杂的机制来实现 DNS，这种机制叫 NSS（Name Service Switch, 名称服务开关）。它需要一个配置文件 /etc/nsswitch.conf 和额外的函数库，但使用 ldd 时不会显示这些函数库，因为这些库在程序运行后才会加载。如果想让 DNS 解析正确工作，必须要拷贝这些额外的库文件（/lib64/libnss_*）。

我个人不建议直接拷贝库文件，因为它非常难以维护，后期需要不断地更改，而且还有很多未知的隐患。

3、使用 busybox:glibc 作为基础镜像

有一个镜像可以完美解决所有的这些问题，那就是 busybox:glibc。它只有 5 MB 大小，并且包含了 glibc 和各种调试工具。如果你想选择一个合适的镜像来运行使用动态链接的程序，busybox:glibc 是最好的选择。

注意：如果你的程序使用到了除标准库之外的库，仍然需要将这些库文件拷贝到镜像中。

总结

最后来对比一下不同构建方法构建的镜像大小：

  • 原始的构建方法：1.14 GB
  • 使用 ubuntu 镜像的多阶段构建：64.2 MB
  • 使用 alpine 镜像和静态 glibc：6.5 MB
  • 使用 alpine 镜像和动态库：5.6 MB
  • 使用 scratch 镜像和静态 glibc：940 kB
  • 使用 scratch 镜像和静态 musl libc：94 kB
  • 最终我们将镜像的体积减少了99.99%。

但我不建议使用 sratch 作为基础镜像，因为调试起来非常麻烦，但如果你喜欢，那我也不会拦着你。

docker kubernetes
更新于 2021-09-06
半兽人

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