CN115599398A - 一种基于容器的镜像分离整合及加载方法 - Google Patents

Abstract

一种基于容器的镜像分离整合及加载方法，将应用程序及其依赖环境的镜像分解为相互独立的基础镜像和应用镜像，其中，将应用程序二进制文件目录及应用运行所需的其他依赖文件目录保存为应用镜像；将应用所需的依赖库与应用框架保存为基础镜像；同一基础镜像能够为多个应用所复用。由此，能够实现通用性依赖环境的复用，大大减小应用的体积，提高应用部署分发的灵活性、可维护性等。

Description

一种基于容器的镜像分离整合及加载方法

技术领域

本发明涉及软件设计开发领域，特别涉及一种基于容器的镜像分离整合及加载方法。

背景技术

（1）联合文件系统技术

联合文件系统是一种能对文件系统命名空间进行联合操作的抽象文件系统，是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统，它支持把对文件系统的修改作为一次提交来一层层的叠加，同时可以把多个物理位置分开的目录内容联合挂载到同一个目录下。联合文件系统是容器技术的基础，已经广泛地应用于容器技术中，以保护容器的底层文件系统不被修改，从而可以在一台主机上高效支持多个容器的运行。目前主流国产操作系统上都集成了联合文件系统，包括overlay2、aufs等主流格式。

（2）容器技术

容器技术是一种内核轻量级的操作系统层虚拟化技术。与虚拟机的硬件抽象层虚拟化方式不同，容器提供了一种共享操作系统内核的虚拟化方法，在执行容器时不用重复加载内核，且容器的内核与宿主机共享，从而能够把硬件资源转化为更多的计算资源。通过使用容器技术，不同的容器之间可以复用操作系统及其环境。

镜像，指容器镜像，也就是挂载在容器根目录上，为容器进程提供执行环境的文件系统。部署应用时，需要将应用及其依赖构建成一个镜像，可以做到一次构建，到处部署。

使用容器部署应用是当前常见的部署方式，但目前市面上的主流容器并不支持对镜像进行拆分、融合，一般一次只能加载一个镜像，因此当使用容器部署依赖关系复杂的应用或图形界面应用时，尤其是在内部网络部署时，可能会由于镜像体积过大影响分发、部署效率，且应用依赖往往占用绝大多数空间：比如图形化界面应用和复杂系统的服务端应用，其镜像体积较大，大部分空间被应用依赖的各种库、框架占据，每次应用更新时都需要重新部署；同时，经常面临的在一台设备部署多个应用的需求，其应用依赖可能高度重合且体积庞大。

上述两种情况增大了应用分发、部署、维护的难度和成本。

发明内容

本公开提供了一种基于容器的镜像分离整合及加载方法，其能够有效减小应用体积，提高依赖环境的可复用性，降低应用分发、部署、维护的难度。

本公开提供的基于容器的镜像分离与整合方法，包括以下步骤：

将应用及其依赖环境，分别制作为彼此独立的基础镜像和应用镜像，其中：

将应用程序二进制文件目录及应用运行所需的其他依赖文件目录保存为应用镜像；

将应用所需的依赖库与应用框架保存为基础镜像；同一基础镜像能够为多个应用所复用。

进一步的，所述基础镜像和应用镜像的制作方法具体包括：

S11，基于空白镜像或操作系统镜像，构建原始镜像；并在原始镜像中配置软件源；

S12，在原始镜像中安装应用所需的依赖库与应用框架，构成基础镜像；

S13，以空白镜像为基础，制作应用程序二进制文件目录及应用运行所需的其他依赖文件目录的镜像作为应用镜像。

进一步的，所述步骤S12中，将多个应用的依赖安装在同一个基础镜像中。

本公开提供的基于上述镜像分离与整合方法的镜像加载方法，包括以下步骤：

S21，将应用及其依赖环境分开保存为基础镜像和应用镜像并分别封装；

S22，安装时，基础镜像和应用镜像分别拷贝到宿主机相应目录下，存放应用及其依赖环境的目录权限设置为只读；

S23，启动应用时，对应用镜像以及基础镜像安装时形成的各文件目录进行挂载，同时视应用需要对可能依赖的内核文件系统目录、宿主机文件系统相关目录进行挂载，形成独立的根文件系统。

进一步的，所述步骤S21中，包含对镜像安装时的目录结构进行压缩处理的步骤。

进一步的，所述步骤S22具体包括：

把基础镜像和应用镜像分别展开；

将相应的文件和目录拷贝到宿主机相应目录下；

存放应用及其依赖的目录权限设置成只读。

进一步的，所述步骤S23具体包括：

基础镜像目录挂载：以只读形式挂载基础镜像目录，确保基础镜像中的依赖库不会被修改，保证基础镜像的可复用性；

应用目录挂载，包括：

以只读形式挂载应用目录，包括应用二进制目录以及应用运行所需的其他依赖文件目录，如配置文件目录；

视应用需要，以可读写方式挂载应用状态目录，包括应用日志目录、缓存文件目录、数据文件目录中的一种或多种；

其他目录挂载，包括：以只读或可读写方式，对应用运行过程中使用到宿主机文件系统相关目录进行挂载，包括：系统用户目录、配置文件目录、应用数据共享目录中的一种或多种。

进一步的，对应用运行过程中对宿主机文件系统相关目录进行挂载时，采用的目录结构与宿主机上的目录结构完全一致。

进一步的，该方法还包括：对应用运行过程中在应用状态目录下的文件系统中写入的信息进行持久化存储的步骤。

进一步的，该方法还包括：在容器中定义json格式数据结构，用于标识和记载挂载目录信息的步骤。

本公开提供的基于容器的镜像整合与加载方法，将应用程序及其依赖环境的镜像分解为基础镜像和应用镜像，为实现基础镜像的复用，减小应用程序镜像的体积，提高部署分发的灵活性等都提供了基础。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

（1）提高应用依赖环境的可复用性：将应用及其依赖拆分成相互独立的应用镜像与基础镜像，可以使多个应用复用相同的基础镜像，当需要在一台设备上部署多个应用时，可以将多个应用的依赖安装在同一个基础镜像中，一次部署多应用同时使用；

（2）将应用的依赖环境拆出、整合为基础镜像后，能够极大的减小应用镜像的体积，大大提高了应用部署分发的灵活性和效率；

（3）在应用后续更新维护的过程中，由于基础镜像内的应用依赖环境很少变动，因此每次只需要更新应用镜像，有利于提高应用在后期的维护更新效率；

（4）该基础镜像也可用作软件开发，使得软件开发与运行的环境相同，避免软件开发环境与运行环境的差异，能够进一步降低应用部署与维护的难度；

（5）这种对镜像的整合加载方法操作简单，有很高的实用性。

附图说明

图1显示根据本公开的基于容器的镜像分离整合及加载方法流程图；

图2显示根据本公开的镜像在不同运行阶段的状态示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

为了大幅度减小应用体积，提高依赖环境的可复用性，与传统模式的应用与依赖库在同一镜像中不同，本公开提供了一种应用及其依赖环境保存在两个镜像中的解决方案。基于该方法的镜像分离整合及加载过程如附图1所示。

其中，基础镜像：指包含应用运行所需公共环境的容器镜像，如应用框架、应用运行库、系统库及系统工具等，镜像中的内容较为全面。可按照应用类型及应用开发语言，预先制作好多个不同的基础镜像，如C++服务端基础镜像、Qt基础镜像、Java服务端基础镜像等。基础镜像可以复用，即不同的应用镜像可以在运行时依赖同一个基础镜像，但不可修改基础镜像的内容。

应用镜像：指应用运行所需的二进制、配置文件、数据文件、状态文件等文件及其目录结构所构成的容器镜像，每个应用的应用镜像不同。

在一种实施方式中，制作基础镜像和应用镜像的具体步骤包括：

1）构建原始镜像，该镜像中的环境为应用运行所需的基础环境，可以使用空白镜像制作，也可使用操作系统镜像，并在原始镜像中配置软件源；

2）在原始镜像中安装应用所需的依赖库与应用框架，安装完毕后的镜像即为应用运行所需的环境，称之为基础镜像；

3）构建应用镜像，以空白镜像为基础，制作应用二进制及其他所需目录的镜像作为应用镜像。

制作完毕后可以得到应用镜像与基础镜像两个镜像。

将应用依赖环境制作成独立的基础镜像，一方面是可以使多个应用复用相同的基础镜像；另一方面，当需要在一台设备上部署多个应用时，可以将多个应用的依赖安装在同一个基础镜像中，一次部署多应用同时使用。

在一个应用从安装到运行的过程中，应用上述方法得到的应用镜像与基础镜像会顺序经历封装态、安装态、运行态三种状态。在一种实施方式下，两种镜像在不同状态下的目录结构设计如图2所示。

（1）封装态

封装态是指应用依赖环境和应用的镜像形态。一个完整的应用依赖环境镜像，即基础镜像，包含应用依赖的应用框架、应用运行库、系统库等部分，应用镜像包括应用程序及数据。封装态的应用依赖环境和应用都是独立的镜像，内部对安装时的目录结构进行了压缩处理。

（2）安装态

安装态是指基础镜像和应用镜像在目标机器装载以后形成的文件目录结构。在安装态下，首先会把基础镜像和应用镜像分别展开，并将相应的文件和目录拷贝到宿主机相应目录下，其中应用及其依赖的目录权限会被设置成只读，以确保应用对文件系统的修改不直接影响镜像的内容。

（3）运行态

运行态包括了用户启动和运行应用时的文件目录状态。用户启动应用时，需要对应用镜像以及基础镜像安装态下的各文件目录进行挂载，同时视应用需要对可能依赖的内核文件系统目录、宿主机文件系统相关目录（含系统用户目录、配置文件目录、应用数据共享目录等）进行挂载，最终形成独立的根文件系统rootfs。具体流程包括：

1）基础镜像目录挂载，以只读形式挂载基础镜像目录，确保基础镜像中的依赖库不会被修改，保证基础镜像的可复用性；

2）应用目录挂载，首先以只读形式挂载应用目录，包括应用二进制目录以及应用运行所需的其他依赖文件目录，如配置文件目录；

其次视应用需要挂载应用状态目录，例如应用日志目录、缓存文件目录、数据文件目录等。作为优选，对应用运行过程中在文件系统中写入的任何信息进行持久化存储，这些目录在运行时会被挂载成可读写目录，状态持久化使得应用在结束运行后，将来再次启动时还能重建之前的状态。

3）其他目录挂载，应用运行过程中，可能会使用到宿主机文件系统相关目录，例如系统用户目录、配置文件目录、应用数据共享目录等。如有需要，也可对这些目录进行挂载，挂载时可以选择只读挂载，以避免应用修改宿主机文件；也可以选择读写挂载，使应用运行环境更加贴近宿主机环境。挂载此类目录时，应尽量保证目录结构与宿主机上的目录结构完全一致，以确保应用在初始化与运行过程中能正确获取到依赖的文件。

作为优选，容器会定义一个json格式数据标识挂载目录，主要包括了挂载类型、挂载路径、目的路径、挂载模式等内容，该数据结构用来管理挂载的目录信息。如表1所示。

表1 标识挂载目录的数据结构示例

本公开提供的镜像加载方法，支持在运行阶段将基础镜像及应用镜像的目录融合成为一个独立的根文件系统，支持在运行过程中将应用对文件系统的修改进行状态持久化存储。

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种基于容器的镜像分离与整合方法，包括以下步骤：

将应用及其依赖环境，分别制作为彼此独立的基础镜像和应用镜像，其中：

将应用程序二进制文件目录及应用运行所需的其他依赖文件目录保存为应用镜像；

将应用所需的依赖库与应用框架保存为基础镜像；同一基础镜像能够为多个应用所复用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基础镜像和应用镜像的制作方法具体包括：

S11，基于空白镜像或操作系统镜像，构建原始镜像；并在原始镜像中配置软件源；

S12，在原始镜像中安装应用所需的依赖库与应用框架，构成基础镜像；

S13，以空白镜像为基础，制作应用程序二进制文件目录及应用运行所需的其他依赖文件目录的镜像作为应用镜像。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S12中，将多个应用的依赖安装在同一个基础镜像中。

4.一种基于权利要求1-3中任一所述镜像分离与整合方法的镜像加载方法，包括以下步骤：

S21，将应用及其依赖环境分开保存为基础镜像和应用镜像并分别封装；

S22，安装时，基础镜像和应用镜像分别拷贝到宿主机相应目录下，存放应用及其依赖环境的目录权限设置为只读；

S23，启动应用时，对应用镜像以及基础镜像安装时形成的各文件目录进行挂载，同时视应用需要对可能依赖的内核文件系统目录、宿主机文件系统相关目录进行挂载，形成独立的根文件系统。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S21中，包含对镜像安装时的目录结构进行压缩处理的步骤。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S22具体包括：

把基础镜像和应用镜像分别展开；

将相应的文件和目录拷贝到宿主机相应目录下；

存放应用及其依赖的目录权限设置成只读。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S23具体包括：

基础镜像目录挂载：以只读形式挂载基础镜像目录，确保基础镜像中的依赖库不会被修改，保证基础镜像的可复用性；

应用目录挂载，包括：

以只读形式挂载应用目录，包括应用二进制目录以及应用运行所需的其他依赖文件目录，如配置文件目录；

视应用需要，以可读写方式挂载应用状态目录，包括应用日志目录、缓存文件目录、数据文件目录中的一种或多种；

其他目录挂载，包括：以只读或可读写方式，对应用运行过程中使用到宿主机文件系统相关目录进行挂载，包括：系统用户目录、配置文件目录、应用数据共享目录中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对应用运行过程中对宿主机文件系统相关目录进行挂载时，采用的目录结构与宿主机上的目录结构完全一致。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：对应用运行过程中在应用状态目录下的文件系统中写入的信息进行持久化存储的步骤。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：在容器中定义json格式数据结构，用于标识和记载挂载目录信息的步骤。

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