Docker:分布式系统的软件工程革命(上)

以下为原文：

　　Docker最近很火。Docker实现了“集装箱”——一种介于“软件包”和“虚拟机”之间的概念——并被寄予厚望，以期革新Internet服务以及其他大数据处理系统的开发、测试、和部署流程。

　　为了使用Docker，需要了解不少工具及其设计思路；而这些工具的文档分布在不同的网站。为了方便大家学习，本文以开发一个极简的搜索引擎为例，展示Docker带来的革新。

　　说是革新，其实是Google已经用了很多年的方式，只是最近才因为Docker开源项目而广为人知。最近这将近十年的时间里，各互联网公司和高校都在奋力模仿Google的计算技术。了解这一模仿的过程，可以帮助我们深入理解分布式系统（包括现在常说的“大数据系统”）中若干重要问题。为此，本文以技术教程为主线，穿插了一些关于Hadoop和Mesos等“模仿”项目的介绍，简要追溯它们勇敢而艰难的“邯郸学步”的历程。最后，本文会介绍Google最近公布的“正确答案”——Hubernetes——Google核心技术Borg的开源版本。

Docker

　　Docker是一个软件系统，实现了一种称为“集装箱”的概念。集装箱类似Google机群管理系统Borg中的包（package）。

　　通常我们说的“包”是软件包——比如Ubuntu/Debian Linux里常见的.deb文件——安装的时候，安装程序会把被依赖的包也装上。可是执行的时候呢？得根据具体情况配置，然后依次启动互相依赖的多个程序。比如，启动一个Web服务之前，要启动Apache和MySQL；而且他们仨都得有合理的配置，确保它们能一起工作，来实现这个Web服务。

　　但是Docker集装箱以及Borg中的包更像虚拟机。虚拟机里包括程序和配置，所以可以被执行——也就是执行其中的程序。因为程序是配置好的，所以虚拟机可以被扔到各种环境上去执行——包括开发机、做演示用的笔记本电脑、用VirtualBox虚拟的机群、测试机群、预发布环境和产品环境。近几年随着“云计算”概念的普及，虚拟机被广泛使用，作为分布式计算的基础调度单元。

　　Docker作为一个软件系统，可以用来创建“集装箱镜像”（container image）和执行这些镜像。就像VirtualBox是一个软件系统，可以用来创建和执行虚拟机。但是集装箱比虚拟机“轻”——一个虚拟机包括一组虚拟硬件、操作系统，用来执行用户程序；而集装箱里没有虚拟的硬件，也没有操作系统，它用主机（host）的硬件和操作系统来执行程序。

　　那么在集装箱里跑程序和直接在主机上跑有什么区别呢？一个区别是，集装箱有一套网络端口空间（port space）。一个集装箱里的进程可以各自开端口，也可以连接对方的端口进行通信。但是这些端口是集装箱之外的进程看不到的。我们也可以让集装箱把某些内部端口号展示给外部，比如把集装箱内的端口5000映射到外部的8080。这样，当我们用主机上的程序（比如浏览器）访问本机（主机）的8080端口时，实际上访问的是集装箱里的5000端口。这项对外公开集装箱内部端口的技术，称为端口转发（port forwarding），和虚拟机的端口转发概念一样。另一个区别在于，集装箱里有虚拟的文件系统。这样我们可以把要执行的程序拷贝进集装箱。也可以把主机上的某些目录映射成集装箱虚拟文件系统的某些目录。

　　集装箱这个想法已经在深刻地改变传统分布式系统的开发、测试和部署的流程了。传统的做法是，开发者写一个Makefile（或者其他描述，比如CMakeList、POM等）来说明如何把源码编译成二进制文件。随后，开发人员会在开发机上配置并且执行二进制文件，来作测试。测试人员会在测试机群上配置和执行，来作验证。而运维人员会在数据中心里的预发布环境和产品环境上配置和执行，这就是部署。因为开发机、测试机群、和产品环境里机器的数量和质量都不同，所以配置往往很不同。加上每个新版本的软件系统，配置方式难免有所差异，所以经常造成意外错误。以至于绝大部分团队都选择趁夜深人静、用户不活跃的时候，上线新版本，苦不堪言。

　　而利用集装箱概念的开发流程里，开发者除了写Makefile，还要写一个Dockerfile，来描述如何把二进制文件安装进一个集装箱镜像（container image），并且做好配置。而一个镜像就像一台配置好的虚拟机，可以在机群上启动多个实例（instance），而每个实例通常称为一个集装箱（container）。在自测的时候，开发者在开发机上执行一个或者多个集装箱；在验证时，测试人员在测试机群上执行集装箱；在部署时，运维人员在产品环境执行集装箱。因为执行的都是同样地集装箱，所以不容易出错。

　　这种流程更合理的划分了开发者和其他角色的工作边界，也大大简化了测试和部署工作。

boot2docker

　　上节提到，Docker虚拟了网络地址空间和文件系统。实际上，它还虚拟了进程ID空间（pid space）等系统数据结构。这些功能是一个叫dockerd的daemon程序借助Linux内核中的control groups（又叫cgroups）功能实现的。

　　dockerd负责执行集装箱；就像VirtualBox负责执行虚拟机一样。而cgroup是Google的两个工程师Paul Menage和Rohit Seth贡献给Linux社区的。从他们的工作记录看，主要工作集中在2008和2009年。据说，Google开发它就是为了方便在自己的机群上部署各种Internet应用和离线处理系统。具体一点儿的故事，请看这篇Information Week上的帖子。。

　　因为cgroups功能只有Linux内核有，所以Docker目前只能运行在Linux上。可是，现在很多开发者都在用Mac。为了能让这些开发者方便的测试自己创作的集装箱镜像，Docker的开发者写了boot2docker——利用VirtualBox虚拟一个Linux主机，并且在上面安装dockerd。而命令行控制程序docker执行在Mac主机上，被配置成和虚拟Linux主机上的dockerd协作。

　　boot2docker的安装方式很简单：照着这个流程，下载并执行一个安装包即可。因为boot2docker利用了VirtualBox，所以安装它之前需要先装VirtualBox。Homebrew也提供了安装boot2docker的选项，但是可能因为bug导致dockerd和docker版本不同，没法协同工作。

　　在利用boot2docker在Mac上开始工作之前，还有几个注意事项。当我们在Linux主机上启动一个集装箱的时候，我们可以让Docker把主机的某些目录映射成集装箱内的目录。这样集装箱里的程序和主机上的程序共享数据，是一种方便的调试方式。但是在用boot2docker的时候，“主机”不是Mac，而是虚拟Linux主机。此时如果想把Mac上的目录映射到集装箱，先得将其通过VirtualBox映射到Linux主机。

　　另一个注意事项和端口转发有关。当我们把集装箱内的某个端口映射为主机的某个端口时，只是映射到了虚拟Linux主机；如果想让Mac上的程序能访问，还得把虚拟机端口通过VirtualBox映射成Mac上的端口。这些注意事项，在下文中会有详细解释。