使用Docker来编排Web应用

前言

使用Docker可以轻松构建一个项目并运行，然而在真实的使用场景中，我们的项目并非是单一的，而是多个项目相互依赖组成一个web应用。

考虑这样一个场景，一个正在运行的web应用，它用到了vue、JAVA8、java15、Tomcat、Nginx、php、MySQL和redis。如果要将这个应用迁移到一台新的服务器上运行，那么就需要在这台机器上重新安装所需的软件以及环境变量，这是很痛苦的。

那么，有没有什么办法来解决这个问题呢？当然有，那就是本文的主角docker-compose（docker编排）。本文就跟大家分享下我是如何使用它解决我的痛苦的，欢迎各位感兴趣的开发者阅读本文。

前置知识

阅读本文前，你需要先提前安装好Docker[1]和 docker-compose[2]。如果你已经安装，我们先来了解几个基础概念。如果你仅仅只是想学习我是如何编排整个web应用的，请直接从编排容器[3]章节开始阅读。

镜像

操作系统分为内核和用户空间，对于linux而言，内核启动后，会挂载root文件系统，为其提供用户空间支持。而Docker镜像就相当于一个root文件系统。比如官方的镜像ubuntu:20.04就包含了完整的一套ubuntu最小系统的rooot文件系统。

Docker的镜像是一个比较特殊的文件系统，它除了提供容器运行时所需的东西外，还包含了一些为运行时准备的一些配置参数（挂载卷、环境变量、用户等）。镜像不会包含任何的动态数据，因此在构建之后，它的内容不会被改变。

如果你还是一头雾水的话，可以将它比作“备份”，在需要的时候把它拿出来即可原封不动的获得备份时刻的内容。

可能有些开发者会有疑问，即使是最小的root文件系统，它的体积也是庞大的。Docker在设计时，就充分利用 Union FS[4] 的技术，将其设计为分层存储的架构。这种架构使得镜像的复用、定制变的更为容易，可以用之前构建好的镜像作为基础层，然后进一步添加新的层，以定制自己所需的内容，构建新的镜像。

⚠️注意：镜像构建时，会一层层构建，前一层是后一层的基础。每一层构建完就不会再发生改变，后一层上的任何改变只发生在自己这一层。因此，在编写镜像配置文件的时候，每一层尽量只包含该层需要添加的东西，任何额外的东西应该在该层构建结束前清理掉（比如你在某一层需要删除前一层的文件，它只是将文件标记为了已删除，最终容器运行的时候，虽然不会看到这个文件，但是实际上该文件会一直跟随镜像）。

容器

镜像与容器之间的关系，类似于Java中的类与实例。镜像是类，容器是实例化出来的实例。容器可以被创建、启动、停止、删除、暂停等。

容器的实质是进程，但与直接在宿主执行的进程不同，容器进程运行于属于自己的独立的命名空间。因此容器可以拥有自己的root文件系统、网络配置、进程空间。容器内的进程是运行在一个隔离的环境里，使用起来，就好像是在一个独立于宿主的系统下操作一样。

前面我们讲过镜像使用的是分层存储，容器也是如此。每一个容器运行时，以镜像为基础层，在其上创建一个当前容器的存储层，这个为容器运行时读写而准备的存储层称之为容器存储层。

⚠️注意：容器存储层的生命周期和容器一样，容器销毁时，存储层也随之销毁。因此，任何保存于存储层的信息都会随着容器的销毁而丢失。

因此，当我们的容器需要进行数据写入时，需要 使用volume数据卷 或者 挂载宿主机的目录 来实现数据的持久化。

仓库

当我们构建好镜像之后，很容易在当前的宿主机上运行，但是，如果需要在其他服务器上使用这个镜像，我们就需要一个仓库来存储和分发它们。Docker Registry[5] 就是这样的服务。

一个 Docker Registry 中可以包含多个 仓库（Repository）；每个仓库可以包含多个 标签（Tag）；每个标签对应一个镜像。

一个仓库包含同一个软件不同版本的镜像，标签就对应着软件的各个版本。我们通过<仓库名>:<标签>的格式来指定具体是那个版本的镜像。

我们以ubuntu镜像为例，ubuntu是仓库的名字，其内包含有不同的版本标签，如：18.04，20.04。我们在编写配置文件的时候，就可以通过ubuntu:18.04、ubuntu:20.04来指定具体所需版本的镜像。如果忽略了标签，将视为ubuntu:latest。

公开服务

Docker Registry 公开服务是开放给用户使用，允许用户管理镜像的Registry服务。一般这类公开服务允许用户免费上传、下载公开的镜像。

最常使用的公开服务是官方的 Docker Hub[6]，这个也是默认的Registry。拥有大量的官方镜像。除此之外，还有：

• Red Hat 的 Quay.io[7]
• google 的 Google ContAIner Registry[8]

私有部署

当用户制作好一个镜像后，不方便在公开服务上发布时，就需要在内部自己搭建Docker Registry。官方提供了 Docker Registry[9] 镜像，可以直接使用做为私有 Registry 服务。

开源的 Docker Registry 镜像只提供了 Docker Registry API[10] 的服务端实现，足以支持 docker 命令，不影响使用。但不包含图形界面，以及镜像维护、用户管理、访问控制等高级功能。

除了官方的 Docker Registry 外，还有第三方软件实现了 Docker Registry API，提供了用户界面以及一些高级功能。比如：Harbor[11]

创建镜像

Docker镜像的构建是通过读取Dockerfile文件来完成的，它本质是一个文本文件，其内包含了一条条的指令，每一条指令构建一层，因此每一条指令的内容，就是描述该层应当如何构建。

编写配置文件

此处以我的开源项目chat-system的后端服务为例，在项目的根目录创建名为chat-system-server-DockerFile的文件，在文件内添加下述代码：

• 通过FROM指令来指定基础镜像
• 通过COPY指令来复制文件到镜像内
• 通过EXPOSE指令来声明服务运行时的端口号

FROM tomcat:9.0.41-jdk8-openjdk
COPY ./chat-system-server.war /usr/local/tomcat/webApps/
COPY ./tomcat/conf/server.xml /usr/local/tomcat/conf/server.xml


EXPOSE 8080

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上面的指令：我们用了9.0.41版本的tomcat且jdk版本为1.8的镜像作为基础环境，随后我们拷贝了项目的war包到tomact的webapps目录下，拷贝了tomcat的配置文件到了镜像内。声明了8080为本服务的访问端口号。

常用的指令

在DockerFile中，除了前面我们所讲的，还有很多内置的指令可以用，此处我们挑几个常用的来做下讲解。

• ADD 用于从URL获取文件并将其放到目标路径下
• RUN 用于执行命令行命令，支持两种格式：

• shell格式，RUN <命令>相当于直接在命令行中输入命令。
• exec格式，RUN ["可执行文件","参数1","参数2"]

• CMD 用于指定容器在启动时所需要运行的程序以及参数，与RUN命令支持的格式相同
• ENV 用于设置环境变量
• WORKDIR 用于指定工作目录，镜像在构建过程中，每一行都代表一层，如果你在上一层做了操作，在当前层需要基于上层完成其他事情，就需要指定它的工作目录

如果你想了解完整的的指令列表，请移步：Dockerfile 指令详解[12]。

⚠️注意：在编写配置文件的时候，如果需要执行多个类似于RUN的指令时，请用&&来拼接。因为前面我们讲过docker是分层存储机制，每一个指令都会建立一层，如果运行了多个RUN指令，它就会创建多层镜像，这是完全没有意义的，而且很多运行时不需要的东西，都被装进了镜像里，比如编译环境、更新的软件包等等。结果就是产生非常臃肿、非常多层的镜像，不仅仅增加了构建部署的时间，也很容易出错。Dockerfile 支持 Shell 类的行尾添加  的命令换行方式，以及行首 # 进行注释的格式。

RUN set -x; buildDeps='gcc libc6-dev make wget'     && apt-get update     && apt-get install -y $buildDeps     && wget -O redis.tar.gz "http://download.redis.io/releases/redis-5.0.3.tar.gz" 

构建镜像

打开终端，进入Dockerfile文件所在在的目录，执行 docker build -t chat-system-server:1.0.0 -f chat-system-server-DockerFile .命令，即可开始构建流程。

• -t 用于指定容器名
• -f 用于指定配置文件
• . 表示当前目录，在终端执行build命令时，需要指定构建镜像的上下文路径。

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⚠️注意：如果你没有指定配置文件，它默认会使用目录下名为Dockerfile的文件。如果你的配置文件中包含了COPY操作，请务必指定上下文路径。

启动容器

启动容器有两种方式，一种是基于镜像新建一个容器并启动，另一种是启动一个处于终止状态的容器。

新建并启动

使用docker run 镜像名即可创建一个容器并启动它，我们以上个章节创建的镜像为例。

docker run chat-system-server:1.0.0

命令执行后，你将在控制台看到相关的输出。

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容器启动之后，通过镜像中声明的8080端口访问，你会发现访问不了。这是因为容器启动后没有做端口映射，我们需要在启动命令中添加-p参数来指定端口。

• -p 后面跟主机访问地址，:后跟的是容器的访问端口。
• 容器的访问端口通常会使用Dockerfile中通过EXPOSE指令所定义的端口号。

docker run -p 127.0.0.1:8080:8080 chat-system-server:1.0.0

启动已终止容器

使用docker container start 容器名即可启动一个处于终止状态的容器。因为我们是新建的容器，没有给它命名，docker会默认一个容器名，我们可以通过docker ps -a命令来拿到容器名，或者通过Webstorm的Docker插件来获取。

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docker container start crazy_wu

常用的参数与命令

容器在启动时，有丰富的参数可以配置，此处我列举几个最常用的参数。

在后台运行容器

我们新建并启动一个容器[13]时，默认会在当前终端中运行，终端窗口关闭后，容器也会跟着终止。通过-d参数即可让它在后台运行。

docker run -d -p 127.0.0.1:8080:8080 chat-system-server:1.0.0

为容器命名

我们在新建容器时，可以通过--name参数来给它命名。

docker run --name local_chat_system_server -d -p 127.0.0.1:8080:8080 chat-system-server:1.0.0

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终止与删除容器

我们可以通过stop和rm指令来终止和删除容器。

# 终止容器
docker container stop 容器名
# 删除容器
docker container rm 容器名

进入容器

如果容器处于后台运行时，我们需要进入容器，做一些操作。就需要使用docker exec -it 容器名 bash来实现。

docker exec -it local_chat_system_server bash

执行命令后，就能看到熟悉的终端了。

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数据挂载

前面我们说过，容器内存储的数据会随着容器的终止而丢失，需要挂载数据卷来实现数据的持久化存储。通常有两种做法：

• 数据卷
• 目录映射

通过数据卷来做存储需要先使用docker volume create 卷名 命令来创建，新建并启动一个容器[14]的时候通过--mount指令或者-v 数据卷:容器目录地址来挂载。

# 创建一个数据卷
docker volume create chat-system-data
# 启动容器并挂载数据卷
docker run -d  
    --name local_chat_system_server 
    --mount source=chat-system-data,target=/usr/local/data 
   chat-system-server:1.0.0

容器启动后，会将日志写到我挂载的数据卷中。当我想在主机上查看写入的日志数据时，发现怎么找也找不到。查了很多资料，最后发现他的数据卷存储很复杂，并没有集中存储，而是分布式的。

这种方式显然不是我想要的，而目录映射的方式正好满足我的需求。我们只需要将数据卷改为主机的路径即可，此处我们以-v参数为例。

docker run -d  
    --name local_chat_system_server 
    -v /Users/likai/Documents/chat-system-server-data:/usr/local/data 
   chat-system-server:1.0.0

⚠️注意：目录映射的形式会把指定的主机路径与容器内的目标路径做关联，本地主机做的操作会响应到容器内，反之亦然。

编排容器

现在，我们回到文章开头所说的那个场景，一开始我打算使用ubuntu:20.04作为基础镜像，写DockerFile安装我需要的依赖包，设置环境变量，打包成镜像来使用。我在做事情之前，喜欢先请教下这方面玩的比较好的朋友。

他们告诉我说，如果全部打包到一个镜像里 ，后期维护与扩展将成为恶梦，后面你要添加新项目，想访问一些之前项目里提供的服务，你就得做很大的改动。一般这种场景我们都会使用Docker Compose来实现的。

简而言之，Docker Compose的作用就是将多个独立的容器组合起来，让容器之间可以轻易的互相访问，最终实现我们的需求。

编写配置文件

容器的编排是通过编写docker-compose.yml配置文件来实现的，一般我们会将这个文件创建在项目的根目录。它的配置文件中包含有很多配置项，此处我们只列举本文需要用到的。

• version，用于指定 Docker Compose 文件的格式版本，以确保正确解析和处理文件中的配置，截止目前(2023-11-15)比较主流的版本为3
• .NETworks，用于自定义网络
• services，用于定义各种服务(mysql、redis、nginx等)将它们组合到一起，形成一个web应用

定义网络

在物理机上部署服务时，多个服务之间相互访问，需要物理机必须处于同一个网关下（防火墙也要正确的配置），这样就能实现多个容器之间的互联互通。

在docker-compose中流程也是一样的，因此我们就需要先定义一个网络，设置好网关。如下所示，我们定义了一个名为kaisir-docker-network的自定义网络。

• external: true 表示该网络为外部网络，其他Docker容器可以连接到这个网络
• name 指定了网络名称
• driver: bridge指定网络的连接模式为桥接，他还有很多其他模式可供选择（host、overlay等）具体请自行查阅相关资料
• ipam用于IP地址的配置

driver: default，用于指定IP地址管理的驱动程序，此处选择默认即可

config，用于配置IP地址池，在这里我们定义了一个子网为192.168.30.0/24，其中包含了192.168.30.1到192.168.30.254的所有IP地址。gateway指定了网关地址为 192.168.30.1

networks:
    kaisir-docker-network:
        external: true
        name: kaisir-docker-network
        driver: bridge
        ipam:
            driver: default
            config:
                - subnet: 192.168.30.0/24
                  gateway: 192.168.30.1

通过上述配置，我们就可以在服务中连接这个网络了。有些开发者可能对192.168.30.0/24比较疑惑，这里就稍作下解释 。这是一个 CIDR（Classless Inter-Domain Routing）表示法，用于表示 IP 地址范围。CIDR 表示法包括两部分：IP 地址的网络部分和主机部分，通过斜杠后面的数字表示网络的长度。

在 192.168.30.0/24 中：

• 192.168.30.0 是网络的基础 IP 地址。
• /24 表示网络的前缀长度，即网络中有多少个连续的 IP 地址。在这里，它表示有24位用于网络，剩余的 32 - 24 = 8 位用于主机。

具体地，192.168.30.0/24 表示从 192.168.30.0 到 192.168.30.255 的IP地址范围，其中包括了 192.168.30.1 到 192.168.30.254 的所有IP地址。192.168.30.0 是网络地址，192.168.30.255 是广播地址。

定义服务

我可以在services指令下定义我们需要的服务，为他们连接网络、挂载数据卷、设置时区、定义访问端口等，我们以mysql为例来做讲解，如下所示：

• mysql为服务名称
• image为镜像名称
• container_name为容器名称
• volumes为我们需要挂载的数据卷
• ports为端口映射
• networks为服务需要接入的网络，定义服务需要分配的ip地址
• environment 设置容器的环境变量，此处我们设置了mysql的root用户密码以及时区

services:
    mysql:
        image: mysql:5.7.42
        container_name: local_mysql
        volumes:
             - /Users/likai/Documents/mysql_data:/var/lib/mysql
             - /Users/likai/Documents/mysql_conf/my.cnf:/etc/my.cnf
        ports:
            - 3306:3306
        networks:
            kaisir-docker-network:
                ipv4_address: 192.168.30.11
        environment:
            - MYSQL_ROOT_PASSword=xxxx
            - TZ=Asia/Shanghai

通过这几行配置，我们就拥有了一个mysql服务。并且其他服务可以通过192.168.30.11:3306访问到这个服务。

我们再来定义Java服务和nginx服务，以我的chat-system-server为例，在打包Java服务时，将数据库的地址指向我们刚才的mysql服务即可。

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chat-system-server:
        image: tomcat:9.0.41-jdk8-openjdk
        container_name: chat_system_server
        ports:
            - 8080:8080
        volumes:
            - /Users/likai/Documents/docker_tomcat/webapps:/usr/local/tomcat/webapps
            - /Users/likai/Documents/chat-system-server-data:/usr/local/data
            - /Users/likai/Documents/docker_tomcat/conf/:/usr/local/tomcat/conf
        environment:
            - TZ=Asia/Shanghai
        networks:
            kaisir-docker-network:
                ipv4_address: 192.168.30.12
    nginx-server:
        image: nginx:1.18.0
        container_name: local_nginx
        ports:
            - 80:80
            - 443:443
        volumes:
            - /Users/likai/Documents/nginx_config:/etc/nginx
            - /Users/likai/Documents/nginx_data:/usr/share/nginx/data
        environment:
            - TZ=Asia/Shanghai
        networks:
            - kaisir-docker-network
        depends_on:
            - redis
            - mysql
            - chat-system-server
            - kodbox
            - halo

同样的，其他的服务也通过这种格式进行定义即可。上面的配置中，我还定义了redis、kodbox、halo这三个服务。

• kodbox 是我之前搭建的网盘服务[15]，依赖php环境
• halo 是我的个人网站[16]，依赖Java15环境

因为有多个服务都需要用到数据库，我需要确保数据库先启动，因此上面的配置中，我还用depends_on指令定义了服务的启动顺序。

⚠️注意：上面的配置文件中，本地路径是写死在配置文件中的，实际在使用的时候一般会通过变量的形式注入一个路径前缀进来，如下所示：

• 如果 MY_VOLUME_PATH 环境变量存在并且非空，则使用它的值
• 否则，使用默认值 /default/path

        volumes:            - ${MY_VOLUME_PATH:-/default/path}/docker_tomcat/webapps:/usr/local/tomcat/webapps

启动服务

最后，我们在终端通过docker-compose up命令即可启动我们定义好的所有服务。因为我们映射了本地的8080端口为chat_system_server的服务，我们在postman内通过127.0.0.1:8080即可访问到这个容器所提供的服务了。

docker-compose up

图片

图片

在nginx的配置文件中我也暴露了80端口出来，指向了halo服务，在浏览器中直接访问127.0.0.1就能看到服务所提供的内容了。

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image-20231115222119946

⚠️注意：如果你的配置文件中定义了路径变量则需要在启动时传入这个变量，如下所示：

MY_VOLUME_PATH=/path/to/your/volume docker-compose up

踩坑记录

我在配置mysql服务时，走了很多弯路，不知道哪步搞错了，启动服务后会报错find: '/var/lib/mysql/mysql.sock': No such file or directory，导致启动失败，我尝试过删除容器、删除镜像，清空主机映射的目录文件，都解决不了。

最后，发现是权限原因，在 docker-compose.yml文件中，给mysql服务添加下述配置即可解决。问题解决后，再把这些去掉即可。

command:
      - /bin/bash
      - -c
      - |
        chmod +rw /var/lib/mysql
        mysqld

参考资料

[1]Docker: https://yeasy.gitbook.io/docker_practice/install

[2]docker-compose: https://yeasy.gitbook.io/docker_practice/compose/install

[3]编排容器: ##编排容器

[4]Union FS: https://en.wikipedia.org/wiki/Union_mount

[5]Docker Registry: https://docs.docker.com/registry/

[6]Docker Hub: https://hub.docker.com/

[7]Quay.io: https://quay.io/repository/

[8]Google Container Registry: https://cloud.google.com/container-registry/

[9]Docker Registry: https://hub.docker.com/_/registry/

[10]Docker Registry API: https://docs.docker.com/registry/spec/api/

[11]Harbor: https://Github.com/goharbor/harbor

[12]Dockerfile 指令详解: https://yeasy.gitbook.io/docker_practice/image/dockerfile

[13]新建并启动一个容器: ###新建并启动

[14]新建并启动一个容器: ###新建并启动

[15]搭建的网盘服务: https://www.kaisir.cn/post/112

[16]个人网站: https://www.kaisir.cn/post/140

[17]个人网站: https://www.kaisir.cn/