1. 簡(jiǎn)介

Docker 是目前主流IT公司廣泛接受和使用的，用于構(gòu)建、管理和保護(hù)它們應(yīng)用程序的工具。

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容器，例如 Docker 允許開(kāi)發(fā)人員在單個(gè)操作系統(tǒng)上隔離和運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序，而不是為服務(wù)器上的每個(gè)應(yīng)用程序?qū)Ｓ靡粋€(gè)虛擬機(jī)。使用容器更輕量級(jí)，可以降低成本、更好地使用資源和發(fā)揮更高的性能。

本文將使用 Flask 開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的 Python web 應(yīng)用程序，并為 “容器化” 做好準(zhǔn)備。然后創(chuàng)建一個(gè) Docker 映像，并將其部署到測(cè)試和生產(chǎn)環(huán)境中。

注意： 請(qǐng)確保機(jī)器上已安裝 Docker，如果沒(méi)有請(qǐng)參考 Docker 官方安裝教程。

2. Docker介紹

Docker 是一種工具，它使開(kāi)發(fā)人員能夠交付他們的應(yīng)用程序(以及庫(kù)或其他依賴(lài)項(xiàng))，確保他們可以使用正確的配置運(yùn)行，而不受部署環(huán)境影響。

這是通過(guò)將應(yīng)用程序隔離在單獨(dú)的容器中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些應(yīng)用程序雖然被容器分隔開(kāi)，但是卻可以共享操作系統(tǒng)和其他資源。

Docker 包含兩部分:

• Docker Engine — 應(yīng)用打包工具，用于封裝應(yīng)用程序。
• Docker Hub — 用于管理云上容器應(yīng)用程序的工具。

3.為何選擇容器

了解容器的重要性和實(shí)用性非常重要，雖然它和直接將應(yīng)用部署到服務(wù)器沒(méi)有多大區(qū)別，但是當(dāng)涉及到比較復(fù)雜的且相當(dāng)吃資源的應(yīng)用，尤其是多個(gè)應(yīng)用部署在同一臺(tái)服務(wù)器，或是同一應(yīng)用要部署到多臺(tái)服務(wù)器時(shí)。容器就變得非常有用。

在容器之前，這是通過(guò) VMWare 和 Hypervisor 等虛擬機(jī)解決的，但是它們?cè)谛省⑺俣群涂梢浦残苑矫嬉驯蛔C明并不是最佳選擇。

Docker 容器是虛擬機(jī)的輕量級(jí)的替代品-與 VM 不同，我們不需要為它預(yù)先分配 RAM、CPU 或其他資源，也不需要為每個(gè)應(yīng)用程序啟動(dòng)一個(gè) VM，僅僅只需要一個(gè)操作系統(tǒng)即可。

使用容器開(kāi)發(fā)人員就不需要為不同環(huán)境制定特殊版本，這樣可以專(zhuān)注于應(yīng)用程序的核心業(yè)務(wù)邏輯。

4.創(chuàng)建 Python 應(yīng)用

Flask 是 Python 的一個(gè)輕量級(jí) Web 應(yīng)用框架，簡(jiǎn)單易用，可以很快速地創(chuàng)建 web 應(yīng)用。我們用它來(lái)創(chuàng)建此 demo 應(yīng)用。

如果還沒(méi)有安裝 Flask 模塊，可以使用下面命令安裝:

$ pip install flask 

安裝成功后，新建一個(gè)應(yīng)用目錄，命名為 FlaskDemo。并在該目錄下創(chuàng)建應(yīng)用代碼文件app.py。

在 app.py 中，首先引入 Flask 模塊，然后創(chuàng)建一個(gè) web 應(yīng)用:

from flask import Flask 
 
app = Flask(__name__) 

然后定義路由/和其對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求處理程序:

@app.route("/") 
def index():   
  return """ 
  <h1>Python Flask in Docker!</h1> 
  <p>A sample web-app for running Flask inside Docker.</p> 
  """ 

最后，添加運(yùn)行主程序并啟動(dòng)該腳本:

if __name__ == "__main__": 
    app.run(debug=True, host='0.0.0.0') 

$ python app.py 

然后在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn) http://localhost:5000/,可以看到 Dockerzing Python app using Flask這樣的頁(yè)面。

5.Dokcer打包應(yīng)用

要在 Docker 上運(yùn)行應(yīng)用程序，首先必須構(gòu)建一個(gè)容器，而且必須包含使用的所有依賴(lài)項(xiàng)——在我們的例子中只有Flask。因此，新建一個(gè)包含所有依賴(lài)包的 requirements.txt 文件，然后創(chuàng)建一個(gè) Dockerfile，該文件用來(lái)描述構(gòu)建映像過(guò)程。

此外，當(dāng)啟動(dòng)容器時(shí)還需要放開(kāi)應(yīng)用程序的HTTP端口。

準(zhǔn)備工作

requirements.txt 文件非常簡(jiǎn)單，只需要填入項(xiàng)目的依賴(lài)包和其對(duì)應(yīng)版本即可：

Flask==1.0.2  

接下來(lái)，需要將應(yīng)用程序運(yùn)行所需的所有Python文件都放在頂層文件夾中，例如，名為app的目錄。

同時(shí)建議將主入口程序命名為 app.py ，將腳本中創(chuàng)建的Flask對(duì)象命名為 app 是一種通常的做法，這樣也可以簡(jiǎn)化部署。

FlaskApp 
    ├── requirements.txt 
    ├── Dockerfile 
    └── app 
        └── app.py 
        └── <other .py files> 

創(chuàng)建Dockerfile

Dockerfile 本質(zhì)上是一個(gè)文本文件，其中明確定義了如何為我們的項(xiàng)目構(gòu)建 Docker 鏡像。

接下來(lái)創(chuàng)建一個(gè)基于 Ubuntu 16.04 和 Python 3.X 的 Dokcer 鏡像:

FROM ubuntu:16.04 
 
MAINTAINER jhao104 "j_hao104@163.com" 
 
RUN apt-get update -y && \ 
    apt-get install -y python3-pip python3-dev 
 
COPY ./requirements.txt /requirements.txt 
 
WORKDIR / 
 
RUN pip3 install -r requirements.txt 
 
COPY . / 
 
ENTRYPOINT [ "python3" ] 
 
CMD [ "app/app.py" ] 

Dockerfile 的基本指令有十三個(gè),上面用到了部分;

• FROM - 所有Dockerfile的第一個(gè)指令都必須是 FROM ，用于指定一個(gè)構(gòu)建鏡像的基礎(chǔ)源鏡像，如果本地沒(méi)有就會(huì)從公共庫(kù)中拉取，沒(méi)有指定鏡像的標(biāo)簽會(huì)使用默認(rèn)的latest標(biāo)簽，如果需要在一個(gè)Dockerfile中構(gòu)建多個(gè)鏡像，可以使用多次。
• MAINTAINER - 描述鏡像的創(chuàng)建者，名稱(chēng)和郵箱。
• RUN - RUN命令是一個(gè)常用的命令，執(zhí)行完成之后會(huì)成為一個(gè)新的鏡像，通常用于運(yùn)行安裝任務(wù)從而向映像中添加額外的內(nèi)容。在這里，我們需更新包，安裝 python3 和 pip 。在第二個(gè) RUN 命令中使用 pip 來(lái)安裝 requirements.txt 文件中的所有包。
• COPY - 復(fù)制本機(jī)文件或目錄，添加到指定的容器目錄, 本例中將 requirements.txt 復(fù)制到鏡像中。
• WORKDIR - 為RUN、CMD、ENTRYPOINT指令配置工作目錄。可以使用多個(gè)WORKDIR指令，后續(xù)參數(shù)如果是相對(duì)路徑，則會(huì)基于之前命令指定的路徑。
• ENTRYPOINT - 在啟動(dòng)容器的時(shí)候提供一個(gè)默認(rèn)的命令項(xiàng)。
• RUN - 運(yùn)行 app 目錄中的 app.py 。

Docker鏡像構(gòu)建原理

Docker鏡像是使用 Docker build 命令構(gòu)建的。在構(gòu)建鏡像時(shí)，Docker創(chuàng)建了所謂的“層(layers)”。每一層都記錄了Dockerfile中的命令所導(dǎo)致的更改，以及運(yùn)行命令后鏡像的狀態(tài)。

Docker在內(nèi)部緩存這些層，這樣在重新構(gòu)建鏡像時(shí)只需要重新創(chuàng)建已更改的層。例如，這里使用了 ubuntu:16.04 的基礎(chǔ)鏡像，相同容器的所有后續(xù)構(gòu)建都可以重用它，因?yàn)樗粫?huì)改變。但是，因?yàn)轫?xiàng)目修改，在下次重新構(gòu)建過(guò)程中 app 目錄的內(nèi)容可能會(huì)有所不同，因此只會(huì)重新構(gòu)建這一層。

需要注意的是，每當(dāng)重新構(gòu)建某一層時(shí)，Dockerfile 中緊隨其后的所有層也都需要重新構(gòu)建。例如，我們首先復(fù)制 requirements.txt 文件，然后再?gòu)?fù)制應(yīng)用程序的其余部分。這樣之前安裝的依賴(lài)項(xiàng)只要沒(méi)有新的依賴(lài)關(guān)系，即使應(yīng)用程序中的其他文件發(fā)生了更改，也不需要重新構(gòu)建這一層。這一點(diǎn)在創(chuàng)建 Dockerfiles 時(shí)一定要注意。

因此，通過(guò)將 pip 安裝與應(yīng)用程序其余部分的部署分離，可以?xún)?yōu)化容器的構(gòu)建過(guò)程。

構(gòu)建Docker鏡像

現(xiàn)在 Dockerfile 已經(jīng)準(zhǔn)備好了，而且也了解了Docker的構(gòu)建過(guò)程，接下來(lái)為我們的應(yīng)用程序創(chuàng)建Docker映像:

docker build -t docker-flask:0.1 . 

調(diào)試模式運(yùn)行

根據(jù)前面講到的容器化的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序通過(guò)容器部署，這從一開(kāi)始就確保了應(yīng)用程序構(gòu)建的環(huán)境是干凈的，從而消除了交付過(guò)程中的意外情況。

但是呢，在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的過(guò)程中，更重要的是要快速重新構(gòu)建和測(cè)試，以檢查驗(yàn)證過(guò)程中的每個(gè)中間步驟。為此，web應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)人員需要依賴(lài)于Flask等框架提供的自動(dòng)重啟功能(Debug模式下，修改代碼自動(dòng)重啟)。而這一功能也可以在容器中使用。

為了啟用自動(dòng)重啟，在啟動(dòng)Docker容器時(shí)將主機(jī)中的開(kāi)發(fā)目錄映射到容器中的app目錄。這樣Flask就可以監(jiān)聽(tīng)主機(jī)中的文件變化(通過(guò)映射)來(lái)發(fā)現(xiàn)代碼更改，并在檢測(cè)到更改時(shí)自動(dòng)重啟應(yīng)用程序。

此外，還需要將應(yīng)用程序的端口從容器轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)。這是為了能夠讓主機(jī)上的瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)用程序。

因此，啟動(dòng)Dokcer容器時(shí)需要使用 volume-mapping 和 port-forwarding 選項(xiàng)：

docker run --name flask_app -v $PWD/app:/app -p 5000:5000 docker-flask:0.1 

改命令將會(huì)執(zhí)行以下操作:

• 基于之前構(gòu)建的 docker-flask 鏡像啟動(dòng)一個(gè)容器;
• 這個(gè)容器的名稱(chēng)被設(shè)置為 flask_app 。如果沒(méi)有 ——name 選項(xiàng)，Docker將為容器生成一個(gè)名稱(chēng)。顯式指定名稱(chēng)可以幫助我們定位容器(用來(lái)停止等操作);
• -v 選項(xiàng)將主機(jī)的app目錄掛載到容器;
• -p 選項(xiàng)將容器的端口映射到主機(jī)。

現(xiàn)在可以通過(guò)http://localhost:5000 或者 http://0.0.0.0:5000/ 訪(fǎng)問(wèn)到應(yīng)用:

如果我們?cè)谌萜鬟\(yùn)行的時(shí)候，修改應(yīng)用程序代碼，F(xiàn)lask會(huì)檢測(cè)到更改并重新啟動(dòng)應(yīng)用程序。

要停止容器的話(huà)，可以使用 Ctrl + C, 并運(yùn)行 docker rm flask_app 移除容器。

生產(chǎn)模式運(yùn)行

雖然直接使用Flask裸跑運(yùn)行應(yīng)用程序?qū)τ陂_(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠好了，但是我們需要在生產(chǎn)中使用更健壯的部署方法。

目前主流的部署方案是 nginx + uwsgi，下面我們將介紹如何為生產(chǎn)環(huán)境部署web應(yīng)用程序。Nginx是一個(gè)開(kāi)源web服務(wù)器，uWSGI是一個(gè)快速、自我修復(fù)、開(kāi)發(fā)人員和系統(tǒng)管理員友好的服務(wù)器。

首先，我們創(chuàng)建一個(gè)入口腳本，用來(lái)控制以開(kāi)發(fā)模式還是生產(chǎn)模式啟動(dòng)我們的應(yīng)用程序，這兩者區(qū)別是選擇直接運(yùn)行python還是nginx模式。

然后再寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單shell啟動(dòng)腳本 entry-point.sh:

#!/bin/bash 
 
if [ ! -f /debug0 ]; then 
  touch /debug0 
 
  while getopts 'hd:' flag; do 
    case "${flag}" in 
      h) 
        echo "options:" 
        echo "-h        show brief help" 
        echo "-d        debug mode, no nginx or uwsgi, direct start with 'python3 app/app.py'" 
        exit 0 
        ;; 
      d) 
        touch /debug1 
        ;; 
      *) 
        break 
        ;; 
    esac 
  done 
fi 
 
if [ -e /debug1 ]; then 
  echo "Running app in debug mode!" 
  python3 app/app.py 
else 
  echo "Running app in production mode!" 
  nginx && uwsgi --ini /app.ini 
fi 

然后創(chuàng)建uWSGI配置文件 app.ini:

[uwsgi] 
plugins = /usr/lib/uwsgi/plugins/python3 
chdir = /app 
module = app:app 
uid = nginx 
gid = nginx 
socket = /run/uwsgiApp.sock 
pidfile = /run/.pid 
processes = 4   
threads = 2 

和nginx配置文件 nginx.conf:

user nginx; 
worker_processes  4; 
pid /run/nginx.pid; 
 
events { 
    worker_connections  20000; 
} 
 
http { 
    include    mime.types; 
    sendfile on; 
    keepalive_timeout  65; 
    gzip off; 
 
    server { 
        listen 80; 
        access_log off; 
        error_log off; 
 
        location / { try_files $uri @flaskApp; } 
        location @flaskApp { 
            include uwsgi_params; 
            uwsgi_pass unix:/run/uwsgiApp.sock; 
        } 
    } 
} 

最后，修改Dockerfile 將nginx和uWSGI安裝到鏡像,將配置文件復(fù)制到鏡像中,并設(shè)置運(yùn)行nginx所需的用戶(hù)權(quán)限:

FROM ubuntu:16.04 
 
MAINTAINER jhao104 "j_hao104@163.com" 
 
RUN apt-get update -y && \ 
    apt-get install -y python3-pip python3-dev && \ 
    apt-get install -y nginx uwsgi uwsgi-plugin-python3 
 
COPY ./requirements.txt /requirements.txt 
COPY ./nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf 
 
WORKDIR / 
 
RUN pip3 install -r requirements.txt 
 
COPY . / 
 
RUN adduser --disabled-password --gecos '' nginx\ 
  && chown -R nginx:nginx /app \ 
  && chmod 777 /run/ -R \ 
  && chmod 777 /root/ -R 
 
ENTRYPOINT [ "/bin/bash", "/entry-point.sh"] 

然后重新打包鏡像:

docker build -t docker-flask:0.1 . 

然后使用nginx啟動(dòng)應(yīng)用程序：

docker run -d --name flaskapp --restart=always -p 8091:80 docker-flask:0.1 

該鏡像包含python、ngix、uwsgi完整環(huán)境，只需要在部署時(shí)指定端口映射便可以自動(dòng)部署應(yīng)用。要停止并刪除此容器，請(qǐng)運(yùn)行下面命令：

docker stop flaskapp && docker rm flaskapp 

此外，如果我們?nèi)匀恍枰厦嬲{(diào)試功能或修改部分代碼，也可以像上面一樣以調(diào)試模式運(yùn)行容器:

docker run -it --name flaskapp -p 5000:5000 -v $PWD/app:/app docker-flask:0.1 -d debug 

6.管理外部依賴(lài)

如果將應(yīng)用程序作為容器交付時(shí)，需要記住的一個(gè)關(guān)鍵事項(xiàng)是，開(kāi)發(fā)人員管理依賴(lài)項(xiàng)的責(zé)任增加了。除了識(shí)別和指定正確的依賴(lài)項(xiàng)和版本之外，還需要負(fù)責(zé)在容器環(huán)境中安裝和設(shè)置這些依賴(lài)項(xiàng)。

在Python項(xiàng)目中管理安裝依賴(lài)比較容易，可以使用requirements.txt指定依賴(lài)項(xiàng)和對(duì)應(yīng)版本，然后通過(guò) pip 安裝。

需要重申的是是，無(wú)論何時(shí)修改 requirements.txt 文件，都需要重新構(gòu)建Docker鏡像。

啟動(dòng)時(shí)安裝依賴(lài)項(xiàng)

可能在某次版本更新時(shí)需要安裝額外的依賴(lài)項(xiàng)。比如，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用了一個(gè)新的包。如果不希望每次都重新構(gòu)建Docker鏡像，或者希望在啟動(dòng)時(shí)使用最新的可用版本。可以通過(guò)修改啟動(dòng)程序在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行安裝程序來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

同樣，我們也可以安裝額外的系統(tǒng)級(jí)包依賴(lài)項(xiàng)。修改 entry-point.sh:

#!/bin/bash 
 
if [ ! -f debug0 ]; then 
  touch debug0 
   
  if [ -e requirements_os.txt ]; then 
    apt-get install -y $(cat requirements_os.txt) 
     
   fi 
   if [-e requirements.txt ]; then 
    pip3 install -r requirements.txt 
   fi 
 
  while getopts 'hd:' flag; do 
    case "${flag}" in 
      h) 
        echo "options:" 
        echo "-h        show brief help" 
        echo "-d        debug mode, no nginx or uwsgi, direct start with 'python3 app/app.py'" 
        exit 0 
        ;; 
      d) 
        touch debug1 
        ;; 
      *) 
        break 
        ;; 
    esac 
  done 
fi 
 
if [ -e debug1 ]; then 
  echo "Running app in debug mode!" 
  python3 app/app.py 
else 
  echo "Running app in production mode!" 
  nginx && uwsgi --ini /app.ini 
fi 

這樣我們可以在 requirements_os.txt 中指定將要安裝的系統(tǒng)軟件包名稱(chēng)，這些包名以空格分隔放在同一行。他們將和 requirements.txt 中的Python依賴(lài)庫(kù)一樣在應(yīng)用程序啟動(dòng)之前安裝。

盡管這樣對(duì)應(yīng)用的迭代開(kāi)發(fā)期間提供了便利，但是出于幾個(gè)原因，在啟動(dòng)時(shí)安裝依賴(lài)項(xiàng)不是一個(gè)好的實(shí)踐：

• 它破壞了容器化的目標(biāo)之一，即修復(fù)和測(cè)試由于部署環(huán)境的變化而不會(huì)改變的依賴(lài)關(guān)系;
• 增加了應(yīng)用程序啟動(dòng)的額外開(kāi)銷(xiāo)，這將增加容器的啟動(dòng)時(shí)間;
• 每次啟動(dòng)應(yīng)用程序時(shí)需要安裝依賴(lài)項(xiàng)，這樣對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源有要求。