两个奇技淫巧,将 Docker 镜像体积减小 99%


前言

对于刚接触容器的人来说,他们很容易被自己构建的 Docker 镜像体积吓到,我只需要一个几 MB 的可执行文件而已,为何镜像的体积会达到 1 GB 以上?本文将会介绍几个奇技淫巧来帮助你精简镜像,同时又不牺牲开发人员和运维人员的操作便利性。本系列文章将分为三个部分:

第一部分着重介绍多阶段构建(multi-stage builds),因为这是镜像精简之路至关重要的一环。在这部分内容中,我会解释静态链接和动态链接的区别,它们对镜像带来的影响,以及如何避免那些不好的影响。中间会穿插一部分对 Alpine 镜像的介绍。

第二部分将会针对不同的语言来选择适当的精简策略,其中主要讨论 Go,同时也涉及到了 Java,Node,Python,Ruby 和 Rust。这一部分也会详细介绍 Alpine 镜像的避坑指南。什么?你不知道 Alpine 镜像有哪些坑?我来告诉你。

第三部分将会探讨适用于大多数语言和框架的通用精简策略,例如使用常见的基础镜像、提取可执行文件和减小每一层的体积。同时还会介绍一些更加奇特或激进的工具,例如 Bazel,Distroless,DockerSlim 和 UPX,虽然这些工具在某些特定场景下能带来奇效,但大多情况下会起到反作用。

本文介绍第一部分。

万恶之源

我敢打赌,每一个初次使用自己写好的代码构建 Docker 镜像的人都会被镜像的体积吓到,来看一个例子。

让我们搬出那个屡试不爽的 hello world C 程序:
/* hello.c */
int main () {
puts("Hello, world!");
return0;


并通过下面的 Dockerfile 构建镜像:
FROM gcc
COPY hello.c .
RUN gcc -o hello hello.c
CMD ["./hello"]

然后你会发现构建成功的镜像体积远远超过了 1 GB……因为该镜像包含了整个 gcc 镜像的内容。

如果使用 Ubuntu 镜像,安装 C 编译器,最后编译程序,你会得到一个大概 300 MB 大小的镜像,比上面的镜像小多了。但还是不够小,因为编译好的可执行文件还不到 20 KB:
$ ls -l hello
-rwxr-xr-x   1 root root 16384 Nov 18 14:36 hello

类似地,Go 语言版本的 hello world 会得到相同的结果:
package main

import"fmt"

func main () {
fmt.Println("Hello, world!")


使用基础镜像 golang 构建的镜像大小是 800 MB,而编译后的可执行文件只有 2 MB 大小:
$ ls -l hello
-rwxr-xr-x 1 root root 2008801 Jan 15 16:41 hello

还是不太理想,有没有办法大幅度减少镜像的体积呢?往下看。

为了更直观地对比不同镜像的大小,所有镜像都使用相同的镜像名,不同的标签。例如:hello:gcc,hello:ubuntu,hello:thisweirdtrick 等等,这样就可以直接使用命令 docker images hello 列出所有镜像名为 hello 的镜像,不会被其他镜像所干扰。

多阶段构建

要想大幅度减少镜像的体积,多阶段构建是必不可少的。多阶段构建的想法很简单:“我不想在最终的镜像中包含一堆 C 或 Go 编译器和整个编译工具链,我只要一个编译好的可执行文件!”

多阶段构建可以由多个 FROM 指令识别,每一个 FROM 语句表示一个新的构建阶段,阶段名称可以用 AS 参数指定,例如:
FROM gcc AS mybuildstage
COPY hello.c .
RUN gcc -o hello hello.c
FROM ubuntu
COPY --from=mybuildstage hello .
CMD ["./hello"]

本例使用基础镜像 gcc 来编译程序 hello.c,然后启动一个新的构建阶段,它以 ubuntu 作为基础镜像,将可执行文件 hello 从上一阶段拷贝到最终的镜像中。最终的镜像大小是 64 MB,比之前的 1.1 GB 减少了 95%:
$ docker images minimage
REPOSITORY          TAG                    ...         SIZE
minimage            hello-c.gcc            ...         1.14GB
minimage            hello-c.gcc.ubuntu     ...         64.2MB

还能不能继续优化?当然能。在继续优化之前,先提醒一下:

在声明构建阶段时,可以不必使用关键词 AS,最终阶段拷贝文件时可以直接使用序号表示之前的构建阶段(从零开始)。也就是说,下面两行是等效的:
COPY --from=mybuildstage hello .
COPY --from=0 hello .

如果 Dockerfile 内容不是很复杂,构建阶段也不是很多,可以直接使用序号表示构建阶段。一旦 Dockerfile 变复杂了,构建阶段增多了,最好还是通过关键词 AS 为每个阶段命名,这样也便于后期维护。

使用经典的基础镜像

我强烈建议在构建的第一阶段使用经典的基础镜像,这里经典的镜像指的是 CentOS,Debian,Fedora 和 Ubuntu 之类的镜像。你可能还听说过 Alpine 镜像,不要用它!至少暂时不要用,后面我会告诉你有哪些坑。

COPY --from 使用绝对路径

从上一个构建阶段拷贝文件时,使用的路径是相对于上一阶段的根目录的。如果你使用 golang 镜像作为构建阶段的基础镜像,就会遇到类似的问题。假设使用下面的 Dockerfile 来构建镜像:
FROM golang
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM ubuntu
COPY --from=0 hello .
CMD ["./hello"]

你会看到这样的报错:
COPY failed: stat /var/lib/docker/overlay2/1be...868/merged/hello: no such file or directory

这是因为 COPY 命令想要拷贝的是 /hello,而 golang 镜像的 WORKDIR 是 /go,所以可执行文件的真正路径是 /go/hello。

当然你可以使用绝对路径来解决这个问题,但如果后面基础镜像改变了 WORKDIR 怎么办?你还得不断地修改绝对路径,所以这个方案还是不太优雅。最好的方法是在第一阶段指定 WORKDIR,在第二阶段使用绝对路径拷贝文件,这样即使基础镜像修改了 WORKDIR,也不会影响到镜像的构建。例如:
FROM golang
WORKDIR /src
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM ubuntu
COPY --from=0 /src/hello .
CMD ["./hello"]

最后的效果还是很惊人的,将镜像的体积直接从 800 MB 降低到了 66 MB:
$ docker images minimage
REPOSITORY     TAG                              ...    SIZE
minimage       hello-go.golang                  ...    805MB
minimage       hello-go.golang.ubuntu-workdir   ...    66.2MB

FROM scratch 的魔力

回到我们的 hello world,C 语言版本的程序大小为 16 kB,Go 语言版本的程序大小为 2 MB,那么我们到底能不能将镜像缩减到这么小?能否构建一个只包含我需要的程序,没有任何多余文件的镜像?

答案是肯定的,你只需要将多阶段构建的第二阶段的基础镜像改为 scratch 就好了。scratch 是一个虚拟镜像,不能被 pull,也不能运行,因为它表示空、nothing!这就意味着新镜像的构建是从零开始,不存在其他的镜像层。例如:
FROM golang
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM scratch
COPY --from=0 /go/hello .
CMD ["./hello"]

这一次构建的镜像大小正好就是 2 MB,堪称完美!

然而,但是,使用 scratch 作为基础镜像时会带来很多的不便,且听我一一道来。

缺少 shell

scratch 镜像的第一个不便是没有 shell,这就意味着 CMD/RUN 语句中不能使用字符串,例如:
...
FROM scratch
COPY --from=0 /go/hello .
CMD ./hello

如果你使用构建好的镜像创建并运行容器,就会遇到下面的报错:
docker: Error response from daemon: OCI runtime create failed: container_linux.go:345: starting container process caused "exec: \"/bin/sh\": stat /bin/sh: no such file or directory": unknown.

从报错信息可以看出,镜像中并不包含 /bin/sh,所以无法运行程序。这是因为当你在 CMD/RUN 语句中使用字符串作为参数时,这些参数会被放到 /bin/sh 中执行,也就是说,下面这两条语句是等效的:
CMD ./hello
CMD /bin/sh -c "./hello"

解决办法其实也很简单:使用 JSON 语法取代字符串语法。例如,将 CMD ./hello 替换为 CMD ["./hello"],这样 Docker 就会直接运行程序,不会把它放到 shell 中运行。

缺少调试工具

scratch 镜像不包含任何调试工具,ls、ps、ping 这些统统没有,当然了,shell 也没有(上文提过了),你无法使用 docker exec 进入容器,也无法查看网络堆栈信息等等。

如果想查看容器中的文件,可以使用 docker cp;如果想查看或调试网络堆栈,可以使用 docker run --net container:,或者使用 nsenter;为了更好地调试容器,Kubernetes 也引入了一个新概念叫 Ephemeral Containers,但现在还是 Alpha 特性。

虽然有这么多杂七杂八的方法可以帮助我们调试容器,但它们会将事情变得更加复杂,我们追求的是简单,越简单越好。

折中一下可以选择 busybox 或 alpine 镜像来替代 scratch,虽然它们多了那么几 MB,但从整体来看,这只是牺牲了少量的空间来换取调试的便利性,还是很值得的。

缺少 libc

这是最难解决的问题。使用 scratch 作为基础镜像时,Go 语言版本的 hello world 跑得很欢快,C 语言版本就不行了,或者换个更复杂的 Go 程序也是跑不起来的(例如用到了网络相关的工具包),你会遇到类似于下面的错误:
standard_init_linux.go:211: exec user process caused "no such file or directory"

从报错信息可以看出缺少文件,但没有告诉我们到底缺少哪些文件,其实这些文件就是程序运行所必需的动态库(dynamic library)。

那么,什么是动态库?为什么需要动态库?

所谓动态库、静态库,指的是程序编译的链接阶段,链接成可执行文件的方式。静态库指的是在链接阶段将汇编生成的目标文件.o 与引用到的库一起链接打包到可执行文件中,因此对应的链接方式称为静态链接(static linking)。而动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中,而是在程序运行是才被载入,因此对应的链接方式称为动态链接(dynamic linking)。

90 年代的程序大多使用的是静态链接,因为当时的程序大多数都运行在软盘或者盒式磁带上,而且当时根本不存在标准库。这样程序在运行时与函数库再无瓜葛,移植方便。但对于 Linux 这样的分时系统,会在在同一块硬盘上并发运行多个程序,这些程序基本上都会用到标准的 C 库,这时使用动态链接的优点就体现出来了。使用动态链接时,可执行文件不包含标准库文件,只包含到这些库文件的索引。例如,某程序依赖于库文件 libtrigonometry.so 中的 cos 和 sin 函数,该程序运行时就会根据索引找到并加载 libtrigonometry.so,然后程序就可以调用这个库文件中的函数。

使用动态链接的好处显而易见:
  1. 节省磁盘空间,不同的程序可以共享常见的库。
  2. 节省内存,共享的库只需从磁盘中加载到内存一次,然后在不同的程序之间共享。
  3. 更便于维护,库文件更新后,不需要重新编译使用该库的所有程序。
    严格来说,动态库与共享库(shared libraries)相结合才能达到节省内存的功效。Linux 中动态库的扩展名是 .so( shared object),而 Windows 中动态库的扩展名是 .DLL(Dynamic-link library)。


回到最初的问题,默认情况下,C 程序使用的是动态链接,Go 程序也是。上面的 hello world 程序使用了标准库文件 libc.so.6,所以只有镜像中包含该文件,程序才能正常运行。使用 scratch 作为基础镜像肯定是不行的,使用 busybox 和 alpine 也不行,因为 busybox 不包含标准库,而 alpine 使用的标准库是 musl libc,与大家常用的标准库 glibc 不兼容,后续的文章会详细解读,这里就不赘述了。

那么该如何解决标准库的问题呢?有三种方案。

1、使用静态库

我们可以让编译器使用静态库编译程序,办法有很多,如果使用 gcc 作为编译器,只需加上一个参数 -static:
$ gcc -o hello hello.c -static

编译完的可执行文件大小为 760 kB,相比于之前的 16kB 是大了好多,这是因为可执行文件中包含了其运行所需要的库文件。编译完的程序就可以跑在 scratch 镜像中了。

如果使用 alpine 镜像作为基础镜像来编译,得到的可执行文件会更小(< 100kB),下篇文章会详述。

2、拷贝库文件到镜像中

为了找出程序运行需要哪些库文件,可以使用 ldd 工具:
$ ldd hello
linux-vdso.so.1 (0x00007ffdf8acb000)
libc.so.6 => /usr/lib/libc.so.6 (0x00007ff897ef6000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 => /usr/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007ff8980f7000)

从输出结果可知,该程序只需要 libc.so.6 这一个库文件。linux-vdso.so.1 与一种叫做 VDSO 的机制有关,用来加速某些系统调用,可有可无。ld-linux-x86-64.so.2 表示动态链接器本身,包含了所有依赖的库文件的信息。

你可以选择将 ldd 列出的所有库文件拷贝到镜像中,但这会很难维护,特别是当程序有大量依赖库时。对于 hello world 程序来说,拷贝库文件完全没有问题,但对于更复杂的程序(例如使用到 DNS 的程序),就会遇到令人费解的问题:glibc(GNU C library)通过一种相当复杂的机制来实现 DNS,这种机制叫 NSS(Name Service Switch, 名称服务开关)。它需要一个配置文件 /etc/nsswitch.conf 和额外的函数库,但使用 ldd 时不会显示这些函数库,因为这些库在程序运行后才会加载。如果想让 DNS 解析正确工作,必须要拷贝这些额外的库文件(/lib64/libnss_*)。

我个人不建议直接拷贝库文件,因为它非常难以维护,后期需要不断地更改,而且还有很多未知的隐患。

3、使用 busybox:glibc 作为基础镜像

有一个镜像可以完美解决所有的这些问题,那就是 busybox:glibc。它只有 5 MB 大小,并且包含了 glibc 和各种调试工具。如果你想选择一个合适的镜像来运行使用动态链接的程序,busybox:glibc 是最好的选择。

注意:如果你的程序使用到了除标准库之外的库,仍然需要将这些库文件拷贝到镜像中。

总结

最后来对比一下不同构建方法构建的镜像大小:
  • 原始的构建方法:1.14 GB
  • 使用 ubuntu 镜像的多阶段构建:64.2 MB
  • 使用 alpine 镜像和静态 glibc:6.5 MB
  • 使用 alpine 镜像和动态库:5.6 MB
  • 使用 scratch 镜像和静态 glibc:940 kB
  • 使用 scratch 镜像和静态 musl libc:94 kB


最终我们将镜像的体积减少了 99.99%。

但我不建议使用 sratch 作为基础镜像,因为调试起来非常麻烦,但如果你喜欢,那我也不会拦着你。

下篇文章将会着重介绍 Go 语言的镜像精简策略,其中会花很大的篇幅来讨论 alpine 镜像,因为它实在是太酷了,在使用它之前必须得摸清它的底细。

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/6bgtD0Aer6-3u4u9jWBBhw

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