Docker卷與持久化數據

數據主要分為兩類，持久化的與非持久化的。

持久化數據是需要保存的數據。例如客戶信息、財務、預定、審計日志以及某些應用日志數據。非持久化數據是不需要保存的那些數據。

兩者都很重要，并且 Docker 均有對應的支持方式。

每個 Docker 容器都有自己的非持久化存儲。非持久化存儲自動創建，從屬于容器，生命周期與容器相同。這意味著刪除容器也會刪除全部非持久化數據。

如果希望自己的容器數據保留下來(持久化)，則需要將數據存儲在卷上。卷與容器是解耦的，從而可以獨立地創建并管理卷，并且卷并未與任意容器生命周期綁定。最終效果即用戶可以刪除一個關聯了卷的容器，但是卷并不會被刪除。

對于微服務設計模式來說，容器是不錯的選擇。通常與微服務掛鉤的詞有暫時以及無狀態。所以，微服務就是無狀態的、臨時的工作負載，同時容器即微服務。因此，我們經常會輕易下結論，認為容器就是用于臨時場景。

但這種說法是錯誤的，而且是大錯特錯!

容器與非持久數據

毫無疑問，容器擅長無狀態和非持久化事務。

每個容器都被自動分配了本地存儲。默認情況下，這是容器全部文件和文件系統保存的地方。之前我們可能聽過一些非持久存儲相關的名稱，如本地存儲、GraphDriver 存儲以及 SnapShotter 存儲。

總之，非持久存儲屬于容器的一部分，并且與容器的生命周期一致，容器創建時會創建非持久化存儲，同時該存儲也會隨容器的刪除而刪除。

在 Linux 系統中，該存儲的目錄在 /var/lib/docker// 之下，是容器的一部分。在 Windows 系統中位于 C\ProgramData\Docker\windowsfilter\ 目錄之下。

如果在生產環境中使用 Linux 運行 Docker，需要確認當前存儲驅動(GraphDriver)與 Linux 版本是否相符。下面列舉了一些指導建議。

? RedHat Enterprise Linux：Docker 17.06 或者更高的版本中使用 Overlay2 驅動。在更早的版本中，使用 Device Mapper 驅動。這適用于 Oracle Linux 以及其他 Red Hat 相關發行版。

? Ubuntu：使用 Overlay2 或者 AUFS 驅動。如果正在使用 Linux4.x 或者更高版本的內核，建議使用 Overlay2。

? SUSE Linux Enterprise Server：使用 Btrfs 存儲驅動。

? Windows：Windows 只有一種驅動，已經默認設置。

上述清單只作為建議。隨著時間發展，Overlay2 驅動正在逐漸流行，可能在未來會成為大多數平臺上的推薦存儲驅動。如果使用 Docker 企業版(EE)，并且有技術支持合約，建議通過咨詢獲取最新的兼容矩陣。

默認情況下，容器的所有存儲都使用本地存儲。所以默認情況下容器全部目錄都是用該存儲。

容器與持久化數據

在容器中持久化數據的方式推薦采用卷。

總體來說，用戶創建卷，然后創建容器，接著將卷掛載到容器上。卷會掛載到容器文件系統的某個目錄之下，任何寫到該目錄下的內容都會寫到卷中。即使容器被刪除，卷與其上面的數據仍然存在。

如下圖所示，Docker 卷掛載到容器的 /code 目錄。任何寫入 /code 目錄的數據都會保存到卷當中，并且在容器刪除后依然存在。

上圖中，/code 目錄是一個 Docker 卷。容器其他目錄均使用臨時的本地存儲。卷與目錄 /code 之間采用帶箭頭的虛線連接，這是為了表明卷與容器是非耦合的關系。

⒈ 創建和管理容器卷

Docker 中卷屬于一等公民。拋開其他原因，這意味著卷在 API 中擁有一席之地，并且有獨立的 docker volume 子命令。

使用下面的命令創建名為 myvol 的新卷。

$ docker volume create myvol

默認情況下，Docker 創建新卷時采用內置的 local 驅動。恰如其名，本地卷只能被所在節點的容器使用。使用 -d 參數可以指定不同的驅動。

第三方驅動可以通過插件方式接入。這些驅動提供了高級存儲特性，并為 Docker 集成了外部存儲系統。下圖展示的就是外部存儲系統被用作卷存儲。驅動集成了外部存儲系統到 Docker 環境當中，同時能使用其高級特性。

截止到目前為止，已經存在 25 種卷插件，涵蓋了塊存儲、文件存儲、對象存儲等。

? 塊存儲：相對性能更高，適用于對小塊數據的隨機訪問負載。目前支持 Docker 卷插件的塊存儲例子包括 HPE 3PAR、Amazon EBS 以及 OpenStack 塊存儲服務(Cinder)。

? 文件存儲：包括 NFS 和 SMB 協議的系統，同樣在高性能場景下表現優異。支持 Docker 卷插件的文件存儲系統包括 NetApp FAS、Azure 文件存儲以及 Amazon EFS。

? 對象存儲：適用于較大且長期存儲的、很少變更的二進制數據存儲。通常對象存儲是根據內容尋址，并且性能較低。支持 Docker 卷驅動的例子包括 Amazon S3、Ceph 以及 Minio。

現在卷已經創建成功，可以通過 docker volume ls 命令進行查看，還可以使用 docker volume inspect 命令查看詳情。

$ docker volume ls
DRIVER VOLUME NAME
local myvol

$ docker volume inspect myvol
[
    {
        "CreatedAt": "2018-01-12T12:12:10Z",
        "Driver": "local",
        "Labels": {},
        "Mountpoint": "/var/lib/docker/volumes/myvol/_data",
        "Name": "myvol",
        "Options": {},
        "Scope": "local"
    }
]

inspect 命令輸出中有幾點很有意思。Driver 和 Scope 都是 local。這意味著卷使用默認 local 驅動創建，只能用于當前 Docker 主機上的容器。Mountpoint 屬性說明卷位于 Docker 主機上的位置。

在本例中卷位于 Docker 主機的 /var/lib/docker/volumes/myvol/_data 目錄。在 Windows Docker 主機上對應內容為 Mountpoint": "C:\\ProgramData\\Docker\\ volumes\\myvol\\_data。

使用 local 驅動創建的卷在 Docker 主機上均有其專屬目錄，在 Linux 中位于 /var/lib/docker/volumes 目錄下，在 Windows 中位于 C:\ProgramData\Docker\volumes 目錄下。

這意味著可以在 Docker 主機文件系統中查看卷，甚至在 Docker 主機中對其進行讀取數據或者寫入數據操作。

可以在 Docker 服務以及容器中使用 myvol 卷。例如，可以在 docker container run 命令后增加參數 --flag 將卷掛載到新建容器中。稍后通過幾個例子進行說明。

有兩種方式刪除 Docker 卷。

docker volume prune。
docker volume rm。

docker volume prune 會刪除未裝入到某個容器或者服務的所有卷，所以謹慎使用!docker volume rm 允許刪除指定卷。兩種刪除命令都不能刪除正在被容器或者服務使用的卷。

因為沒有使用 myvol 卷，所以請通過 prune 命令進行刪除。

$ docker volume prune

WARNING! This will remove all volumes not used by at least one container.
Are you sure you want to continue? [y/N] y

Deleted Volumes:
myvol
Total reclaimed space: 0B

現在已經完成創建、查看以及刪除卷的操作了。上述操作均未涉及容器，這也驗證了卷是獨立的這一特性。

到目前，讀者已經了解了卷的創建、列表、查看以及刪除命令。此外，還可以通過在 Dockerfile 中使用 VOLUME 指令的方式部署卷。具體的格式為 VOLUME

但是，在 Dockerfile 中無法指定主機目錄。這是因為主機目錄通常情況下是相對主機的一個目錄，意味著這個目錄在不同主機間會變化，并且可能導致構建失敗。如果通過 Dockerfile 指定，那么每次部署時都需要指定主機目錄。

⒉ 演示卷在容器和服務中的使用

通過前面的學習我們已經了解了卷相關的基本命令，接下來看一下如何在容器和服務中使用卷。

接下來的內容是基于某個沒有卷的系統，演示內容適用于 Linux 和 Windows。

使用下面的命令創建一個新的獨立容器，并掛載一個名為 bizvol 的卷。

Windows 示例如下。

所有的 Windows 示例都在 PowerShell 中執行，請注意反引號(`)用于將命令拆至多行。

> docker container run -dit --name voltainer `
--mount source=bizvol,target=c:\vol `
microsoft/powershell:nanoserver

即使系統中沒有叫作 bizvol 的卷，命令也應該能夠成功運行。這里引出了很有意思的一點。如果指定了已經存在的卷，Docker 會使用該卷。如果指定的卷不存在，Docker 會創建一個卷。

在當前示例中，bizvol 這個卷并不存在，所以 Docker 新建一個卷并掛載到新容器內部。這意味著讀者可以通過 docker volume ls 命令看到該卷。

$ docker volume ls
DRIVER VOLUME NAME
local bizvol

盡管容器和卷各自擁有獨立的生命周期，Docker 也不允許刪除正在被容器使用的卷。

$ docker volume rm bizvol
Error response from daemon: unable to remove volume: volume is in use -
[b44 d3f82...dd2029ca]

目前卷是空的。執行 exec 連接到容器并向卷中寫入一部分數據。示例引用的是 Linux，如果讀者使用 Windows 示例，則需要將 docker container exec 命令結尾的 sh 替換為 pwsh.exe。其他命令在 Linux 和 Windows 上面均可以生效。

$ docker container exec -it voltainer sh

/# echo "I promise to write a review of the book on Amazon" > /vol/file1

/# ls -l /vol
total 4

-rw-r--r-- 1 root root 50 Jan 12 13:49 file1

/# cat /vol/file1
I promise to write a review of the book on Amazon

輸入 exit 命令返回到 Docker 主機 Shell 中，然后使用下面命令刪除容器。

$ docker container rm voltainer -f
voltainer

即使容器被刪除，卷依舊存在。

$ docker container ls -a
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS

$ docker volume ls
DRIVER VOLUME NAME
local bizvol

由于卷仍然存在，因此可以進入到其在主機的掛載點并查看前面寫入的數據是否還在。

在 Docker 主機的終端上執行下面的命令。第一條命令會證明文件依然存在，第二條命令展示了文件的內容。

如果是 Windows 示例，一定要使用 C:\ProgramData\Docker\volumes\bizvol\_data 目錄。

$ ls -l /var/lib/docker/volumes/bizvol/_data/
total 4
-rw-r--r-- 1 root root 50 Jan 12 14:25 file1

$ cat /var/lib/docker/volumes/bizvol/_data/file1
I promise to write a review of the book on Amazon

根據運行結果可以看出，卷和數據都還在。

甚至將 bizvol 掛載到一個新的服務或者容器都是可以的。下面的命令會創建一個名為 hellcat 的新 Docker 服務，并且將 bizvol 掛載到該服務副本的 /vol 目錄。

$ docker service create \
--name hellcat \
--mount source=bizvol,target=/vol \
alpine sleep 1d

overall progress: 1 out of 1 tasks
1/1: running [====================================>]
verify: Service converged

上述命令沒有指定 --replicas 參數，所以服務只會部署一個副本。找到 Swarm 集群中運行了該服務的節點。

$ docker service ps hellcat
ID NAME NODE DESIRED STATE CURRENT STATE
l3nh... hellcat.1 node1 Running Running 19 seconds ago

在本例中，副本運行在 node1 節點上。登錄到 node1 節點，然后獲取服務副本容器 ID。

node1$ docker container ls
CTR ID IMAGE COMMAND STATUS NAMES
df6..a7b alpine:latest "sleep 1d" Up 25 secs hellcat.1.l3nh...

注意，容器的名稱包括了 service-name、replica-number 以及 replica-ID，采用句號分隔。

登錄到該容器并檢查數據是否在 /vol 中。在 exec 例子中會使用服務副本的容器 ID。如果使用 Windows 示例，記得將 sh 替換為 pwsh.exe。

node1$ docker container exec -it df6 sh

/# cat /vol/file1
I promise to write a review of the book on Amazon

這樣卷中保存了原始數據，并且在新容器中也可以使用。

在集群節點間共享存儲

Docker 能夠集成外部存儲系統，使得集群間節點共享外部存儲數據變得簡單。例如，獨立存儲 LUN 或者 NFS 共享可以應用到多個 Docker 主機，因此無論容器或者服務副本運行在哪個節點上，都可以共享該存儲。下圖展示了位于共享存儲的卷被兩個 Docker 節點共享的場景。接下來這些 Docker 節點可以將共享卷應用到容器之上。

構建這樣的環境需要外部存儲系統的相關知識，并了解應用如何從共享存儲讀取或者寫入數據。這種配置主要關注數據損壞(Data Corruption)。

基于下圖，設想下面的場景：Node 1 上的容器 A 在共享卷中更新了部分數據。但是為了快速返回，數據實際寫入了本地緩存而不是卷中。此時，容器 A 認為數據已經更新。但是，在 Node 1 的容器 A 將緩存數據刷新并提交到卷前，Node 2 的容器 B 更新了相同部分的數據，但是值不同，并且更新方式為直接寫入卷中。

此時，兩個容器均認為自己已經將數據寫入卷中，但實際上只有容器 B 寫入了。容器 A 會在稍后將自己的緩存數據寫入緩存，覆蓋了 Node 2 的容器 B 所做的一些變更。但是 Node 2 上的容器 B 對此一無所知。數據損壞就是這樣發生的。

為了避免這種情況，需要在應用程序中進行控制。