容器基础（02）：Docker 镜像存储——分层、overlayfs、镜像优化、存储驱动

更新时间：2026-09-01。本文是 cloud/docker/ Docker 基础第 02 篇，接 Docker 基础。Docker 镜像由只读层叠加而成，每层对应一个指令。overlayfs 把多个层合并成一个文件系统视图，容器写时复制。

本文要回答的问题

• 镜像分层是什么？每层对应什么？为什么分层节省空间？
• overlayfs 怎么把多个层合并成一个文件系统？
• 写时复制（Copy-on-Write）是什么？修改文件时发生了什么？
• 怎么优化镜像大小？多阶段构建怎么做？

一、镜像分层

Docker 镜像是一个分层文件系统
每层对应 Dockerfile 的一条指令

FROM alpine:3.19          → 层 1：基础层
RUN apk add --no-cache python3  → 层 2：安装 python3
COPY . /app               → 层 3：复制代码
CMD ["python3", "app.py"] → 元数据层（不占用空间）

Docker 镜像分层：
┌─────────────────────────────┐
│ 层 3：COPY . /app           │  ← 可写层（容器层）
├─────────────────────────────┤
│ 层 2：RUN apk add python3   │  ← 只读层
├─────────────────────────────┤
│ 层 1：FROM alpine:3.19      │  ← 只读层
└─────────────────────────────┘

分层的好处：

• 共享基础层：多个镜像共用同一个基础层，节省空间
• 缓存：构建时已缓存的层不需要重新构建
• 增量传输：拉取时只拉取本地没有的层

二、overlayfs 原理

overlayfs 把多个目录合并成一个目录

lowerdir：底层只读层（基础镜像层）
upperdir：上层可写层（容器层）
merged：合并后的视图（容器的文件系统）

┌─────────────────────────────────────┐
│  merged（容器看到的是合并后的视图）  │
├─────────────────────────────────────┤
│  upperdir（容器层：修改的文件）      │  ← 可写层
├─────────────────────────────────────┤
│  lowerdir:1（COPY . /app）          │  ← 只读层
├─────────────────────────────────────┤
│  lowerdir:2（RUN apk add python3）  │  ← 只读层
├─────────────────────────────────────┤
│  lowerdir:3（FROM alpine:3.19）     │  ← 只读层
└─────────────────────────────────────┘

文件查找：

1. 先从 upperdir 找
2. 找不到从 lowerdir 从高到低找
3. 找到哪个就用哪个

三、写时复制（Copy-on-Write）

修改文件时发生了什么？

1. 读取文件：从 lowerdir 找到文件，读取
2. 修改文件：把文件复制到 upperdir，修改
3. 删除文件：在 upperdir 创建一个 whiteout 文件标记删除
4. 新建文件：直接在 upperdir 创建

这就是"写时复制"：修改时才复制，不修改不复制

好处： 多个容器共享同一个镜像，每个容器只修改自己的 upperdir，镜像层不被修改，节省空间。

四、镜像优化

多阶段构建

# ❌ 单阶段构建：go 镜像 1.2GB
FROM golang:1.22
WORKDIR /app
COPY . .
RUN go build -o app .
CMD ["./app"]

# ✅ 多阶段构建：最终镜像 20MB
FROM golang:1.22 AS builder
WORKDIR /app
COPY . .
RUN go build -o app .

FROM alpine:3.19
COPY --from=builder /app/app /usr/local/bin/app
CMD ["app"]
# 最终镜像只有 alpine + 二进制

其他优化技巧

# 1. 用 alpine 基础镜像（小）
FROM alpine:3.19
# 替代 FROM ubuntu:22.04（ubuntu 200MB，alpine 5MB）

# 2. 合并 RUN 指令，减少层数
RUN apt-get update && \
    apt-get install -y --no-install-recommends python3 && \
    rm -rf /var/lib/apt/lists/*

# 3. 清理缓存
RUN pip install --no-cache-dir -r requirements.txt

# 4. 不要安装不必要的包
# 用 --no-install-recommends 只装最小依赖

# 5. 多阶段构建只复制需要的文件
COPY --from=builder /app/output /app/

五、存储驱动对比

驱动	适用场景	特点
overlay2	推荐（默认）	性能好，稳定，支持写时复制
fuse-overlayfs	rootless 模式	无 root 用户也支持
devicemapper	旧版 RHEL/CentOS	已被 overlay2 替代
aufs	旧版 Docker	已被 overlay2 替代

推荐： 只要系统支持，永远用 overlay2。

六、常见坑对照

坑	现象	对策
镜像体积太大	推送拉取慢，磁盘占用大	多阶段构建，用 alpine，清理缓存
层缓存不命中	每次构建重新安装依赖	把不变的层放前面（package.json 先 COPY）
overlay2 空间不足	容器写数据时写满 upperdir	监测 overlay 空间，挂载 volume 到外部存储
存储驱动配置错误	容器启动失败	用 docker info 检查存储驱动，换成 overlay2

相关与延伸

下一篇：Docker 容器网络——bridge/host/none、端口映射、网络模型；Docker 基础，见 Docker 基础。

一句话总结

Docker 镜像存储：镜像是分层文件系统，每层对应 Dockerfile 一条指令，overlayfs 把多层合并成视图；写时复制：修改文件时复制到 upperdir，不修改共享镜像层，节省空间；多阶段构建把编译结果从大镜像复制到小镜像，最终镜像只有几十 MB；优化镜像：用 alpine 基础镜像，合并 RUN 指令，清理缓存，多阶段构建；存储驱动推荐 overlay2。