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# 05.Docker数据管理
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## 05.Docker数据管理
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### 1. Docker数据管理
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### 2. 数据管理
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#### 2.1 UnionFS（联合文件系统）
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Docker 中的 UnionFS（联合文件系统）是一种分层、轻量级且高性能的文件系统，其核心功能是将多个目录内容联合挂载到同一个目录下，形成一个统一的文件系统视图。以下是其主要特点和作用：
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##### 2.1.1 核心特点
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- **分层存储**：UnionFS 可以将不同层次的文件和目录合并成单一的目录树。在 Docker 中，每一层可以代表一个镜像层，最低层通常是只读的基础镜像层，上面的层是可写的容器层。
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- **写时复制（Copy-on-Write, CoW）**：当容器需要修改一个文件时，UnionFS 不会直接更改底层只读镜像中的文件，而是将更改写入到一个可写的上层。这样，原始镜像层保持不变，可以被多个容器共享。
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- **隔离性**：由于底层的只读镜像层保持不变，每个容器看到的是一个完整的文件系统视图，包括它们的改动，但这些改动仅存在于它们自己的可写层中。
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- **性能优化**：UnionFS 通过仅对发生更改的文件进行操作，以及通过页面缓存共享等机制，减少了磁盘 I/O 操作，加快了容器启动时间。
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##### 2.1.2 在 Docker 中的应用
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- **镜像分层**：Docker 镜像是由多个只读层叠加而成的，每一层都代表了镜像构建过程中的一个状态。UnionFS 将这些层联合起来，形成一个完整的文件系统。
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- **容器运行时的文件系统**：当启动一个容器时，Docker 会在镜像的最顶层添加一个新的可写层。容器的所有写操作都在这个可写层中进行，而不会影响到镜像的只读层。
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- **镜像继承与共享**：由于镜像的分层结构，新的镜像可以基于已有的镜像构建，只需添加新的层即可。同时，多个容器可以共享同一个镜像的只读层，极大地节省了磁盘空间。
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##### 2.1.3 常见的 UnionFS 实现
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虽然 UnionFS 是一个理念，但 Linux 内核中有多种具体的实现方式，Docker 默认使用的是 Overlay2。Overlay2 是一种先进的联合文件系统实现，具有更好的性能和一些先进的功能，如页面缓存共享。
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#### 2.2 镜像层与可写层
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在 Docker 中，镜像层和容器可写层是基于联合文件系统（UnionFS）实现的关键概念。它们共同构成了容器的文件系统结构，使得 Docker 能够高效地管理和运行容器。以下是对镜像层和容器可写层的详细解释：
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##### 2.2.1 一、镜像层
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镜像层是 Docker 镜像的组成部分，每个镜像由多个只读层组成，这些层是不可修改的。
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1. **镜像层的生成**
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- 当你构建一个 Docker 镜像时，Dockerfile 中的每一条指令（如 `RUN`、`COPY`、`ADD` 等）都会生成一个新的镜像层。
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- 例如，一个简单的 Dockerfile 如下：
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```dockerfile
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FROM ubuntu:20.04
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RUN apt-get update && apt-get install -y nginx
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COPY ./my_nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf
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```
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- 第一层是基础镜像层，如 `ubuntu:20.04`，这是从 Docker Hub 拉取的预构建镜像。
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- 第二层是通过 `RUN` 指令安装 Nginx 生成的层，包含了安装过程中产生的所有文件和目录变化。
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- 第三层是通过 `COPY` 指令将本地的 `my_nginx.conf` 文件复制到镜像中的 `/etc/nginx/nginx.conf` 位置生成的层。
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- 每一层都是基于前一层构建的，新的层只包含与前一层的差异部分。
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2. **镜像层的特点**
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- **只读性**：镜像层是只读的，一旦创建就不能修改。如果需要修改镜像层中的内容，必须通过构建新的镜像层来实现。
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- **共享性**：多个容器可以共享同一个镜像层，因为镜像层是不可变的，这大大节省了磁盘空间。
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- **不可变性**：镜像层的不可变性保证了镜像的一致性和可重复性，无论在什么环境下运行，基于同一镜像启动的容器都具有相同的文件系统结构。
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3. **镜像层的作用**
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- **构建高效**：通过分层构建，Docker 可以缓存中间层，避免重复构建相同的操作。例如，如果基础镜像层和安装 Nginx 的层已经构建过，再次构建时可以直接使用缓存的层，而不是重新执行命令。
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- **节省空间**：多个容器可以共享镜像层，减少了磁盘空间的占用。例如，10 个基于同一个基础镜像的容器，只需要存储一份基础镜像层，而不是每份都单独存储。
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- **便于分发**：镜像层的结构使得镜像可以方便地分发和共享。用户可以从 Docker Hub 等镜像仓库拉取镜像，而无需关心镜像的具体构建过程。
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##### 2.2.2 二、容器可写层
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容器可写层是容器运行时特有的一个层，它是可写的，用于存储容器运行时产生的所有变更。
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1. **容器可写层的生成**
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- 当你启动一个容器时，Docker 会在镜像的最顶层添加一个新的可写层。这个可写层是容器独有的，用于存储容器运行时的文件系统变更。
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- 例如，如果你在容器中创建了一个新文件、修改了一个现有文件或删除了一个文件，这些操作都会反映在容器可写层中，而不会影响到镜像层。
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2. **容器可写层的特点**
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- **可写性**：容器可写层是可写的，容器运行时的所有文件系统操作（如创建、修改、删除文件）都在这个层中进行。
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- **独立性**：每个容器都有自己的可写层，容器之间的可写层是隔离的。一个容器的变更不会影响到其他容器。
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- **临时性**：容器可写层的内容在容器被删除时也会被删除。如果需要持久化数据，需要将数据存储在外部存储（如卷）中。
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3. **容器可写层的作用**
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- **隔离性**：容器可写层保证了容器之间的隔离性。每个容器在自己的可写层中进行操作，不会影响到其他容器或镜像层。
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- **灵活性**：容器可写层允许容器在运行时动态地修改文件系统，而不会影响到镜像的原始状态。这使得容器可以灵活地运行各种应用程序。
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- **数据持久化**：虽然容器可写层的内容在容器删除时会被删除，但你可以通过挂载卷（Volumes）将数据持久化到宿主机或其他存储设备中，从而实现数据的持久化存储。
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##### 2.2.3 三、镜像层与容器可写层的关系
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镜像层和容器可写层通过联合文件系统（UnionFS）联合起来，形成了容器的完整文件系统视图。
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1. **联合挂载**
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- Docker 使用联合文件系统将镜像层和容器可写层联合挂载到同一个目录下。从容器的角度来看，它看到的是一个完整的文件系统，包含了镜像层和容器可写层的内容。
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- 例如，当你在容器中访问一个文件时，Docker 会先在容器可写层中查找该文件。如果找不到，就会在镜像层中查找。如果在镜像层中找到了文件，就会将该文件的内容返回给容器。
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2. **写时复制（Copy-on-Write）**
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- 当容器需要修改一个文件时，Docker 会使用写时复制机制。具体来说，Docker 会将文件从镜像层复制到容器可写层，然后在可写层中进行修改。这样，镜像层保持不变，而容器可写层存储了修改后的文件。
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- 例如，假设镜像层中有一个文件 `/etc/nginx/nginx.conf`，容器需要修改这个文件。Docker 会将该文件从镜像层复制到容器可写层，然后在可写层中进行修改。从容器的角度来看，它看到的是修改后的文件，而镜像层中的文件保持不变。
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3. **删除操作**
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- 当容器删除一个文件时，Docker 会在容器可写层中记录一个删除操作，而不是真正删除镜像层中的文件。这样，镜像层保持不变，而容器可写层记录了文件的删除状态。
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- 例如，假设容器删除了一个文件 `/etc/nginx/nginx.conf`，Docker 会在容器可写层中记录一个删除标记。从容器的角度来看，该文件已经被删除，而镜像层中的文件仍然存在。
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##### 2.2.4 总结
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- **镜像层**：是 Docker 镜像的组成部分，是只读的、不可变的，多个容器可以共享镜像层。镜像层通过分层构建，提高了构建效率、节省了磁盘空间，并保证了镜像的一致性和可重复性。
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- **容器可写层**：是容器运行时的可写层，用于存储容器运行时的文件系统变更。容器可写层是独立的、可写的、临时的，保证了容器之间的隔离性和运行时的灵活性。
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- **联合文件系统（UnionFS）**：将镜像层和容器可写层联合挂载，形成了容器的完整文件系统视图。通过写时复制机制，Docker 在不影响镜像层的情况下，允许容器在可写层中进行文件系统操作。
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#### 2.3 查看镜像的详细信息
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##### 2.3.1 一、查看镜像数据信息
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```bash
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[root@localhost nginx]# docker inspect nginx_games:v1
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"Architecture": "amd64",
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"Os": "linux",
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"Size": 685997316,
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"GraphDriver": {
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"Data": {
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"LowerDir": "/var/lib/docker/overlay2/ilm8ifbi2gcrqg156w7kbu22f/diff:/var/lib/docker/overlay2/u51fr5eul9csiwghxmnm1acsi/diff:/var/lib/docker/overlay2/lo6sgoxbliga9l2qqqxcu2tvp/diff:/var/lib/docker/overlay2/bi4orr0yujicfufabnw7u8tym/diff:/var/lib/docker/overlay2/e51d5c1c74a99e1b1e41980bb9270fcba562976e40ae7dbf65ff585689a783d2/diff",
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"MergedDir": "/var/lib/docker/overlay2/talgtlohecyw3kt8d8idpzw4g/merged",
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"UpperDir": "/var/lib/docker/overlay2/talgtlohecyw3kt8d8idpzw4g/diff",
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"WorkDir": "/var/lib/docker/overlay2/talgtlohecyw3kt8d8idpzw4g/work"
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LoweDir：image镜像层本身（只读）
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UpperDir：容器的上层读写层
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MergeDir：容器的文件系统，使用Union FS(联合文件系统)将镜像层和容器层合并给容器使用
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WorkDir：容器在宿主机的工作目录
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```
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##### 2.3.2 二、查看镜像层构建过程
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```bash
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[root@localhost nginx]# docker history nginx_games:v1
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IMAGE CREATED CREATED BY SIZE COMMENT
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9c86d96dfba0 25 hours ago CMD ["nginx" "-g" "daemon off;"] 0B buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 25 hours ago EXPOSE map[443/tcp:{} 80/tcp:{}] 0B buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 25 hours ago ADD games.tar.gz /usr/local/nginx/html/ # bu… 164MB buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 25 hours ago RUN /bin/sh -c useradd -s /sbin/nologin ngin… 297kB buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 25 hours ago RUN /bin/sh -c cd /usr/local/src/nginx-1.22.… 16.6MB buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 25 hours ago ADD nginx-1.22.0.tar.gz /usr/local/src/ # bu… 6.46MB buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 25 hours ago RUN /bin/sh -c yum install -y vim wget unzip… 323MB buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 25 hours ago MAINTAINER Eagle_nls 2898485992@qq.com 0B buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 16 months ago CMD ["/bin/bash"] 0B buildkit.dockerfile.v0
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<missing> 16 months ago ADD layer.tar.xz / # buildkit 176MB buildkit.dockerfile.v0
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```
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如果想要缩小所构建镜像的大小，我们可以尝试少创建镜像层，在一层中多做一些事情，尽可能减少**RUN命令**
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### 3. 数据卷
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#### 3.1 什么是数据卷？
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数据卷实际上就是宿主机上的目录或者是文件，可以被直接mount到容器当中使用。
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实际生产环境中，需要针对不同类型的服务、不同类型的数据存储要求做相应的规划，最终保证服务的可扩展性、稳定性以及数据的安全性。
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#### 3.2 数据卷案例
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- 创建目录并准备页面
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```bash
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[root@docker-server1 ~]# mkdir -p /data/web
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[root@docker-server1 ~]# echo 'eaglslab nginx test!' > /data/web/index.html
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[root@docker-server1 ~]# cat /data/web/index.html
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eaglslab nginx test
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```
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- 启动两个容器并验证数据
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```bash
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d -it --name web1 -v /data/web/:/usr/share/nginx/html/ -p 8080:80 nginx
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588c494dc9098e0a43e15bce3162c34676dd981609edc32d46bf4beb59b9cf19
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d -it --name web2 -v /data/web/:/usr/share/nginx/html/ -p 8081:80 nginx
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ff6b3731a9ba3e0f91d2c8d89bb6573eb5e5a9b840163bc1122a9e5678d108b7
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8080
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eaglslab nginx test!
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8081
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eaglslab nginx test!
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[root@docker-server1 ~]# echo 'hello world!' > /data/web/index.html
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8080
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hello world!
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8081
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hello world!
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```
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- 进入到容器内测试写入数据
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```bash
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[root@docker-server1 ~]# docker exec -it web1 bash
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root@588c494dc909:/# echo 'docker test!' > /usr/share/nginx/html/index.html
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8080
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docker test!
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8081
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docker test!
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```
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- 尝试只读挂载
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```bash
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# 删除容器的时候不会删除宿主机的目录
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[root@docker-server1 ~]# docker rm -fv web1
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web1
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[root@docker-server1 ~]# docker rm -fv web2
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web2
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[root@docker-server1 ~]# cat /data/web/index.html
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docker test!
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# 通过只读方式挂载以后，在容器内部是不允许修改数据的
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d -it --name web1 -v /data/web/:/usr/share/nginx/html/:ro -p 8080:80 nginx
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a395b27958ca0cdcf52a86bd17813dcbcda4ed774895adcc99e85fc114ab84ff
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[root@docker-server1 ~]# docker exec -it web1 bash
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root@a395b27958ca:/# echo 123 > /usr/share/nginx/html/index.html
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bash: /usr/share/nginx/html/index.html: Read-only file system
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```
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- 文件挂载
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```bash
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d -it --name web2 -v /data/web/index.html:/usr/share/nginx/html/index.html:ro -p 8081:80 nginx
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4b34c957372d314cdb0f85d7e2c65b095615adfe3051ae6b4266b7bacd50f374
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8081
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docker test!
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```
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#### 3.3 数据卷特点
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1. 数据卷是宿主机的目录或者文件，并且可以在**多个容器之间共同使用**
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2. 在宿主机对数据卷更改数据后会在所有容器里面会**立即更新**
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3. 数据卷的数据可以**持久保存**，即使删除使用该数据卷卷的容器也不影响
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4. 在容器里面写入数据不会影响到镜像本身(**隔离性**)。
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5. 需要挂载多个目录或者文件的时候可以使用多个-v参数指定
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6. 数据卷使用场景包括日志输出、静态web页面、应用配置文件、多容器间目录或文件共享
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#### 3.4 数据卷容器
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##### 3.4.1 什么是数据卷容器
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数据卷容器是一个普通的容器，专门用于提供数据卷供其他容器挂载。它允许用户创建一个专门用于数据存储的容器，并将其数据卷挂载到其他容器中。数据卷容器的主要用途是将数据卷的生命周期与应用容器分离，使数据可以在容器之间共享和持久化。
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##### 3.4.2 数据卷容器的用途
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1. **数据持久化**：数据卷容器可以确保数据即使在容器被删除后也不会丢失。例如，对于数据库应用，数据卷容器可以持久化数据库文件，避免因容器删除而导致数据丢失。
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2. **数据共享**：多个容器可以通过挂载同一个数据卷容器来共享数据。这在多容器应用中非常有用，例如在微服务架构中，多个服务容器可以共享数据库数据。
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3. **备份与恢复**：数据卷容器可以用于备份和恢复数据。通过将数据卷容器中的数据卷备份到宿主机或其他存储设备，可以在需要时恢复数据。
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4. **迁移数据**：数据卷容器可以方便地迁移数据。通过将数据卷容器中的数据卷迁移到其他主机，可以快速实现数据的迁移。
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##### 3.4.3 数据卷容器与本地数据挂载的区别
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| 特性 | 数据卷容器 | 本地数据挂载 |
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| :--------------------- | :----------------------------------------------------------- | :----------------------------------------------------------- |
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| **目录来源** | Docker 自动创建的目录 | 宿主机上已存在的目录 |
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| **适用场景** | 数据持久化、容器间共享数据 | 开发调试、快速文件同步 |
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| **容器间共享** | 支持 | 不支持 |
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| **宿主机文件系统依赖** | 无依赖 | 依赖宿主机文件系统 |
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| **数据持久化** | 数据卷的生命周期独立于容器，即使容器被删除，数据卷仍然存在 | 如果容器被删除，挂载的目录和文件仍然存在，但需要手动管理 |
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| **数据初始化** | 如果宿主机没有对应的文件，数据卷容器会自动将容器运行所需的文件复制到数据卷中 | 如果宿主机没有对应的文件，容器可能会因缺少运行所需的文件而出错 |
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| **数据覆盖** | 数据卷中的数据会覆盖容器内的数据 | 容器内的数据会覆盖宿主机上的数据 |
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##### 3.4.4 实例演示
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- 先启动一个卷容器Server
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```bash
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d --name nginx-web -v /data/web/:/usr/share/nginx/html/:ro -p 8081:80 nginx
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```
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- 启动两个客户端容器
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```bash
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d --name web1 -p 8082:80 --volumes-from nginx-web nginx:latest
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ac22faa405ec07c065042465cd7f9d456be891effdd5d13d9571b96ef9c550f7
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d --name web2 -p 8083:80 --volumes-from nginx-web nginx:latest
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e084845475b01dedfdae7362f6fbece7b5ab57ff6289c8c9bf08251f5ba448ed
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```
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- 访问测试
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```bash
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8081
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docker test!
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8082
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docker test!
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||
[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8083
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docker test!
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||
```
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- 停止卷容器可以创建新容器
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||
```bash
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||
[root@docker-server1 ~]# docker stop nginx-web
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nginx-web
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d -it --name web3 -p 8084:80 --volumes-from nginx-web nginx:latest
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6ebd95c132ee1a9e4b43d1849efc628ca7185187a59d70b3816ff16dd47b6e8e
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8084
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docker test!
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||
```
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||
- 删除卷容器之后不可以再创建新容器
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||
```bash
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[root@docker-server1 ~]# docker rm -fv nginx-web
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nginx-web
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[root@docker-server1 ~]# docker run -d -it --name web4 -p 8085:80 --volumes-from nginx-web nginx:latest
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docker: Error response from daemon: No such container: nginx-web.
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See 'docker run --help'.
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# 但是之前已经创建好的容器不会有任何影响
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[root@docker-server1 ~]# curl 192.168.175.10:8082
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docker test!
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```
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##### 3.4.5 总结
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在当前环境下，即使把提供卷的容器Server删除，已经运行的容器Client依然可以使用挂载的卷，因为容器是通过挂载的方式访问数据的，但是无法创建新的卷容器客户端，但是再把卷容器Server创建后即可正常创建卷容器client，此方式可以用于线上共享数据目录等环境，因为即使数据卷容器被删除了，其他已经运行的容器依然可以挂载使用
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数据卷容器可以作为共享的方式为其他容器提供文件共享，可以在容器生成中启动一个实例挂载本地的目录，然后其他的容器分别挂载此容器的目录，即可保证各个容器之间的数据一致性。
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