博主一直都很喜歡思考怎樣管理裝在自己電腦上的桌面系統，這篇算是前作能當主力，能入虛擬機器，還能隨時打包帶走，Linux就是這麼強大的後續探索吧。
近些年來，Docker由於提供了一套非常方便地建立並執行應用容器的方法，而在全球掀起了一股容器化的熱潮。容器通過將軟體及其所需要的執行環境一同打包帶走，從而將人們從依賴的苦海中拯救出來。雖然Docker設計的初衷並不是作業系統容器，更不是一個直接執行在裸機上的作業系統，但是docker這套強大的工具也會給我們管理作業系統帶來巨大的便利。
為什麼要用Docker映象當作桌面系統？這就要從普通桌面系統的不方便之處說起。通常我們都擁有不止一臺電腦，我們希望這些電腦能夠保持一致。這裡所說的“一致”，用一個例子來講，就是我在一臺電腦上編輯了一半的檔案，不需要認為拷貝到另一臺電腦上，而是直接開啟電腦就能編輯。如果這個檔案只是一個純文字檔案，或者一個Microsoft Word文件，那麼實現這個一致性非常簡單：把檔案扔到Dropbox之類的雲同步盤就好。然而對於專業使用者來講，這種一致性的保持並非單純的扔到Dropbox裡面那麼簡單：比如說你最近忙於一個專案，這個專案要用到若干程式語言，然後在電腦裡裝了一堆庫，一堆工具軟體，有圖形介面的，也有命令列的。在工作的過程中，你有可能不斷安裝新的工具，或者決定棄用某個之前計劃使用的庫或者工具。要讓你的工作在你的若干臺電腦上都能工作，就要一直維護不同機器的環境的一致性：在一臺機器上安裝的工具，要在所有機器上重新安裝一遍。在一臺機器上升級了的庫，要在所有機器上都升級，稍微有所差池，就有可能出現某個指令碼/程式在一臺機器上跑的好好的，在另一臺機器上卻無法執行的問題。
docker哲學
不熟悉docker的讀者可以戳這裡來了解docker。Docker的使用非常簡單：我們通過寫一個Dockerfile，在Dockerfile中寫入相應的命令來安裝以及配置我們想要的庫跟工具。不熟悉docker的讀者可以看一下下面這個抄來的Dockerfile的例子，來了解一下Dockerfile長啥樣子：
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FROM ubuntu MAINTAINER Kimbro Staken RUN apt-get install -y software-properties-common python RUN add-apt-repository ppa:chris-lea/node.js RUN echo "deb http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu/ precise universe" >> /etc/apt/sources.list RUN apt-get update RUN apt-get install -y nodejs #RUN apt-get install -y nodejs=0.6.12~dfsg1-1ubuntu1 RUN mkdir /var/www ADD app.js /var/www/app.js CMD ["/usr/bin/node", "/var/www/app.js"] |
有了Dockerfile，只需要docker build一條命令就可以建立一個docker映象。同時Docker公司提供一個叫做DockerHub的服務，可以免費託管公開映象。只需要使用docker push就可以直接把映象上傳到DockerHub。在不同的電腦上只需要docker pull就可以從DockerHub獲取最新版的映象。DockerHub還支援自動構建，通過把DockerHub帳號跟GitHub帳號關聯起來，就可以讓DockerHub在GitHub上面的Dockerfile出現更改的時候自動重新生成映象。
本文開頭所說的這種一致性的維護，docker實際上已經在給我們提供答案了：我們通過構建一個docker映象，讓這個映象包含著我們專案所需要的所有的一切。這樣的話，我們開發，測試，部署等等一切任務，都可以在先用docker run來開啟一個容器，然後在容裡面進行所有的工作。當我們決定修改執行環境，比如引入新的庫的時候，就在Dockerfile中進行相應的修改，重新生成映象，然後在不同的機器上用docker pull來更新一下就好。這種使用哲學，通過一箇中心化了的倉庫，非常優雅地解決了不同機器上環境一致的問題。美中不足的是，並不是所有的程式都能在容器裡執行的，也並不是所有的程式都方便在容器裡執行的。如果你用到了圖形介面的程式，或者說是一些系統級別的程式，那麼在容器裡面使用這些程式會麻煩很多，有的甚至根本無法實現。於是自然地就會想到，如果我們能夠在每次開機的時候，直接把某個docker生成的映象掛載起來當根目錄來使用，就可以讓這個映象直接在裸機上（而不是在容器中）執行，來做我們的日常桌面系統了。
這種做法，除了在保持一致性方面帶來的便利以外，還有一些其他的好處：
- 整個系統儲存在雲端，本地的內容僅僅是雲端的一份快取而已，這樣就完全沒有必要定期對系統進行備份了。
- 你的系統是如何從零開始一步一步配置成你想要的樣子的，所有的一切都清晰地展現在Dockerfile裡面。Dockerfile就是你最好的筆記。
- 完全不用擔心繫統長時間使用產生一些殘餘的垃圾檔案、或者某些系統中某些程式的資料出現損壞，因為每次開機，我們用的都是一個全新的系統。
- 要裝一臺新機器，並不需要從頭安裝作業系統，只要從DockerHub拉取映象拿來用就好，安裝系統這個過程變得極其方便。
- 系統更新的過程實際上就是根據Dockerfile從最新的軟體倉庫重新從頭安裝生成docker映象的過程，不會出現某些更新遇到檔案衝突或者依賴無法處理，需要人為干預才能完成的問題。
docker儲存驅動的工作原理
Docker的儲存驅動官方有介紹其工作原理，這裡只是簡單概括一下。Docker使用了層的概念，docker在構建映象的時候，會逐行執行我們的Dockerfile中的每一行，每執行一行的時候，docker就會建立出一個新的層來存放新的內容。當我們執行docker pull或者docker push的時候，docker實際上傳跟下載的是這些層之間的增量。每當執行docker run，docker就會把這些下載下來的層組合到一起，組合成一個完整的映象，然後新建一個讀寫層，所有執行過程中的寫入都會被寫入到讀寫層中，而映象本身則是保持只讀，不會被更改。“層”這個概念具體實現起來，根據docker目錄（通常為/var/lib/docker這個目錄）所在的檔案系統的不同而不同，具體的實現在docker中被稱為graph driver，docker自帶的graph driver包括aufs、 overlay、btrfs、zfs、devicemapper等。這些graph driver大多使用了寫時複製的技術，這樣在把各個層組合在一起的過程不需要重新拷貝一份資料，實際的拷貝是在寫入的時候發生的。
由於筆者使用的是btrfs，所以本文就以btrfs為例子來介紹怎麼讓系統啟動到docker映象上去。btrfs是一個寫時複製的系統，由於docker的映象是由一個一個的層疊在一起組成的，docker在使用btrfs的時候，每往上疊一層，docker就會建立一個原來層的快照，然後把新層的內容寫到快照裡面去。然後docker會在從映象建立容器的時候，給映象的最頂層做個快照，把這個快照當作容器讀寫層來用。
啟動到docker映象中去
明白了docker儲存驅動的工作原理，還需要知道Linux的啟動過程才能達成我們的目標。Linux在啟動的時候，一般會讓啟動器給核心裝載一個記憶體盤initramfs，然後核心完成簡單的早期初始化以後，就會解壓記憶體盤的內容到根目錄/，然後啟動記憶體盤中的init程式（一般為/init），這個init程式會進行進一步的初始化（比如說載入檔案系統的驅動，對檔案系統進行fsck等），這一步初始化完成了以後，這個init程式就會根據核心選項中的root、rootflags等內容掛載真正的根目錄，然後通過switch_root程式啟動真正根目錄中的init程式，這個init程式則會完成最後的初始化工作，比如掛載fstab、載入圖形介面等等。很多發行版都提供製作initramfs的工具，比如archlinux的mkinitcpio，這些工具通常都是模組化的，允許使用者自己新增hook。
讓系統啟動到docker映象所需要的知識已經完備了。思路也清晰了：通過給initramfs中新增hook，讓initramfs中的init在掛載root之前從docker本地快取中的映象中建立出一個快照作為讀寫層，然後把這個讀寫層當作真正的root來掛載。具體操作上，在啟動管理器裡面寫啟動項的核心選項的時候，root就寫/var/lib/docker所在的分割槽，而rootflags裡面至少要有一項subvol=XXXXX，其中XXXXX是我們打算建立的讀寫層的位置。然後重中之重則是，寫一個hook，這個hook乾的事情是：找到想要的docker映象對應的btrfs子卷，給這個子卷建立一個快照，命名為XXXXX（跟核心選項中的名字保持一致）。這樣的話，在Linux把控制權交給initramfs中的init程式以後，init程式會先去從docker快取中的子卷創造出XXXXX快照，然後把XXXXX快照當作root來掛載以及進行接下來的操作。如果讀者跟筆者一樣使用Arch Linux的話，那麼所有的這些工作筆者已經做了，讀者可以直接拿來用。
筆者的原始碼位於GitHub： https://github.com/zasdfgbnm/mkinitcpio-docker-hooks ，同時讀者也可以直接從AUR中搜尋mkinitcpio-docker-hooks來安裝筆者的hook。下面就來介紹一下這個hook的使用方法。
mkinitcpio-docker-hooks的使用
mkinitcpio-docker-hooks的使用流程大概分為如下幾步：
- 確保你的
/var/lib/docker位於某個btrfs分割槽中 - 準備一個適合在裸機上啟動的docker映象
- 然後在這個映象中安裝並配置mkinitcpio-docker-hooks
- 準備核心跟initramfs
- 準備top layer的內容
- 設定啟動管理器
docker映象的準備
要想啟動到docker映象中去，首先你得有一個適合在裸機上啟動的docker映象。很多docker映象，為了減小映象的大小，是不會附帶只有裸機上才能用到的軟體包（比如dhcpcd）的，所以讀者可能需要在Dockerfile中手動安裝這些軟體包，對於Arch Linux來講，只需要安裝base組就可以了。由於接下來要安裝mkinitcpio-docker-hooks，這裡推薦使用一個已經內建yaourt的映象，筆者使用的是自己的archlinux-yaourt映象zasdfgbnm/archlinux-yaourt。所以，Dockerfile的開頭看起來是這個樣子的：
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FROM zasdfgbnm/archlinux-yaourt USER root RUN pacman -Syu --noconfirm base |
作為示例，這裡就不安裝base之外的其他軟體了，讀者請自己根據需要安裝其他軟體。
安裝並配置mkinitcpio-docker-hooks
mkinitcpio-docker-hooks的安裝是在docker裡面而不是當前執行在裸機上的系統中進行的。之所以要把這個軟體包安裝在docker映象裡面，很重要的原因是因為Linux核心不提供ABI的穩定性，所以核心模組跟核心的版本必須嚴格對應，不然模組是無法載入的。為了保持這種一致性，我們採取的措施是，在docker裡面安裝mkinitcpio-docker-hooks，在docker中生成initramfs，並且在啟動的時候用映象裡面的核心啟動，就可以確保核心、initramfs中的模組、啟動到映象以後的/lib/modules三者保持一致。安裝過程在Dockerfile中的寫法如下：
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RUN sudo -u user yaourt -S --noconfirm mkinitcpio-docker-hooks |
安裝完了mkinitcpio-docker-hooks以後還需要配置，配置檔案在/etc/docker-btrfs.json，初始內容如下：
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{ "docker_image": "archlinux/base", "docker_tag": "latest" } |
我們需要做的就是把這兩個變數的值替換為我們想要的值，比如說這裡我打算把我的docker映象的名字叫做“sample_image”。同時，我們還需要在/etc/mkinitcpio.conf中新增docker-btrfs這個hook。
綜上，可以在Dockerfile中使用如下命令來配置：
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RUN sed -i 's/archlinux\/base/sample_image/g' /etc/docker-btrfs.json RUN perl -i -p -e 's/(?<=^HOOKS=\()(.*)(?=\()/$1 docker-btrfs/g' /etc/mkinitcpio.conf |
??????????????Dockerfile??
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FROM zasdfgbnm/archlinux-yaourt USER root RUN pacman -Syu --noconfirm base RUN sudo -u user yaourt -S --noconfirm mkinitcpio-docker-hooks RUN sed -i 's/archlinux\/base/sample_image/g' /etc/docker-btrfs.json RUN perl -i -p -e 's/(?<=^HOOKS=\()(.*)(?=\))/$1 docker-btrfs/g' /etc/mkinitcpio.conf |
只需要通過docker build . -t sample_image就可以構建自己的映象了。
準備核心跟initramfs
映象生成好了以後，下一步就是準備核心跟構建initramfs了。注意這一步操作儘量在你打算用來啟動docker映象的機器上進行，因為mkinitcpio會自動根據機器把相應的核心模組放入initramfs中去，如果在別的機器上進行的話，那就可能會有一些驅動沒有被自動裝入initramfs中。如前所述，這一步的工作是在docker容器中進行的。首先執行容器並開啟一個shell：
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docker run -v $(pwd):/workspace -w /workspace -it sample_image bash |
然後在容器中執行如下命令：
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mkinitcpio -p linux cp /boot/* . exit |
然後就可以在當前目錄下看到準備好的initramfs-linux-fallback.img、initramfs-linux.img以及vmlinuz-linux了。
準備top layer的內容
Top layer是mkinitcpio-docker-hooks引入的新概念，它指的是某個驅動器中的某個目錄，這個目錄會在啟動的時候讀寫層建立之後，真正的root掛載之前，通過busybox的cp -a命令整個拷貝到讀寫層裡面去。為什麼需要top layer呢？因為我們需要在多臺機器上啟動同一個映象，而不同機器上的往往會根據需要配置不同的配置檔案，比如/etc/fstab以及/etc/X11/xorg.conf。另外，DockerHub免費賬戶上的映象都是公開的，/etc/passwd、/etc/shadow等的私密性檔案也不適合放在映象裡面儲存。
準備top layer的內容，實際上就是找一個資料夾，把需要單獨配置的檔案，按照從根目錄算起的相對路徑存放在這個資料夾裡面。比如說如果你想給某臺機器單獨配置/etc/fstab，那麼你就應該在top layer的目錄中新增etc/fstab這個檔案。這裡推薦的具體的操作流程是：首先通過docker run -v $(pwd):/workspace -w /workspace -it sample_image bash進入容器中的shell，然後在其中做各種配置，比如useradd ...，完了以後把新生成的配置檔案拷貝到top layer的資料夾中去
設定啟動管理器
設定好了top layer以後，我們基本上可以算是萬事具備只差東風了。我們只需要簡單設定一下啟動管理器就可以啟動我們的系統了。這裡以refind為例子，這裡假設我們的所有東西放在一個label為“linux”的btrfs分割槽中，docker目錄（也就是你係統啟動以後會掛載到/var/lib/docker的目錄）存放在這個分割槽根目錄下的一個叫做“docker”的子卷中，而核心、initramfs以及top layer都是位於分割槽根目錄下的“boot_docker”資料夾中，而我們希望建立的讀寫層名字叫做“docker_rwlayer”，那麼相應的refind.conf中的選單項的程式碼如下：
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menuentry archlinux-docker { icon EFI/refind/icons/os_arch.png volume linux loader boot_docker/vmlinuz-linux initrd boot_docker/initramfs-linux.img options "root=LABEL=linux rootflags=subvol=docker_rwlayer rw docker_path=docker toplayer=LABEL=linux toplayer_path=boot_docker" } |
其中核心選項中，我們通過root來指定docker目錄所在的分割槽，rootflags中的subvol來指定讀寫層的位置，docker_path來指定docker目錄在root中的相對位置；通過toplayer來指定top layer目錄所在的分割槽，toplayerflags來指定top layer所在分割槽的掛載選項，toplayer_path來指定top layer的目錄在toplayer分割槽中的相對位置。
一切就緒，重啟並享受吧！
另外，有興趣的讀者可以看一下筆者自用的docker映象作為參考：
https://cloud.docker.com/swarm/zasdfgbnmsystem/repository/docker/zasdfgbnmsystem/archlinux-kde/general
https://github.com/zasdfgbnm-dockers/archlinux-kde