雖然Docker作為部署環境打包映象的工具，和我的科研並沒有直接的關係。但我覺得在專案中運用Docker來打包環境依賴也可以大大提高工作效率，於是準備專門學習一下Docker。
1. Docker基礎
1.1 Docker架構
Docker使用客戶端伺服器架構。Docker客戶端與Docker守護程式會話，後者複雜構建、執行和分發Docker容器的繁重工作。Docker客戶端和守護程式可以在同一系統執行，也可以將Docker客戶端連線到遠端Docker守護程式。Docker客戶端和守護程式通過REST API（採用一種簡潔的URL風格規範）通訊，其底層基於UNIX套接字或網路介面。其架構示意圖如下：
其中，Docker 守護程式 (dockerd) 監聽Docker API 請求並管理Docker物件，例如映象、容器、網路和磁碟分卷。守護程式還可以與其他守護程式通訊以管理Docker服務。而Docker 客戶端 ( docker) 是使用者與 Docker 互動的主要方式。當我們使用諸如docker run之類的命令時，客戶端會將這些命令傳送到dockerd執行它們。docker命令使用 Docker API。Docker 客戶端可以與多個守護程式通訊。
Docker登錄檔儲存Docker映象(你可以類比為Maven的repo)。Docker Hub 是一個任何人都可以使用的公共登錄檔，並且 Docker 預設配置為在Docker Hub上查詢映象。我們也可以執行自己的私有登錄檔。我們可以呼叫docker pull從登錄檔中拉取映象。當我們docker run命令時，系統會從先從本地尋找映象，如果本地找不到，則會從Docker Hub拉取。當我們使用docker push命令時，映象會被推送到我們配置的登錄檔中。可以看出，Docker映象版本控制和Git類似。
1.2 Docker物件
當我們在使用Docker時，我們就正在建立和使用映象、容器、網路、磁碟分卷、外掛和其他物件了。下面簡要介紹一下其中的映象和容器物件。
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映象 映象可視為一個只讀模板，其中包含建立 Docker 容器的指令。通常，一個映象基於另一個映象，並帶有一些額外的自定義。例如可以基於現有的ubuntu映象，來構建安裝有其它應用程式的映象。要構建我們自己的映象，需要使用簡單的語法建立一個Dockerfile ，用於定義建立和執行映象所需的步驟。
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容器
容器是映象的可執行例項（類似於程式和程式的關係）。我們可以使用 Docker API 或 CLI 建立、啟動、停止、移動或刪除容器。我們可以將容器連線到一個或多個網路。
2. 啟動Docker程式並執行映象
2.1 啟動Docker守護程式
Linux
Linux上的docker同時包括客戶端和守護程式兩部分，故安裝好docker後，只需要用以下命令即可執行docker守護程式：
$ sudo service docker start # Ubuntu/Debian
如果您是RedHat/Centos，則需要執行：
$ sudo systemctl start docker
MacOS
然而，在Mac上docker二進位制僅僅是client部分(因為docker守護程式使用了一些Linux核心的特點)，我們不能使用它來執行docker守護程式。所以，我們還需要安裝docker-machine來建立一個虛擬機器並將守護程式執行在上面。如果你的Mac上已經有brew，可以直接執行以下命令安裝：
brew install docker-machine
然後啟動docker-machine:
(base) orion-orion@MacBook-Pro ~ % brew services start docker-machine
==> Successfully started `docker-machine` (label: homebrew.mxcl.docker-machine)
2.2 執行映象
之後我們就可以嘗試執行Docker映象了。比如我們下面用docker run命令執行docker/getting-started映象：
(base) orion-orion@MacBook-Pro ~ % docker run -d -p 80:80 docker/getting-started
Unable to find image 'docker/getting-started:latest' locally
latest: Pulling from docker/getting-started
9981e73032c8: Pull complete
e5f90f35b4bc: Pull complete
ab1af07f990a: Pull complete
bd5777bb8f79: Pull complete
a47abff02990: Pull complete
d4b8ebd00804: Pull complete
6bec3724f233: Pull complete
b95ca5a62dfb: Pull complete
Digest: sha256:b558be874169471bd4e65bd6eac8c303b271a7ee8553ba47481b73b2bf597aae
Status: Downloaded newer image for docker/getting-started:latest
cc167092ff76941a25fe51da25fbbfe6a0a70cc07171fa5f56707f3bf7383e6a
可以看到由於沒有在本地找到docker/getting-started:latest映象，Docker從遠處Docker Hub登錄檔上pull下來。
我們用docker ps檢視目前在執行的映象例項（即容器）：
(base) orion-orion@MacBook-Pro ~ % docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
cc167092ff76 docker/getting-started "/docker-entrypoint.…" 29 minutes ago Up 29 minutes 0.0.0.0:80->80/tcp epic_lehmann
可以用docker stop終止映象執行:
(base) orion-orion@MacBook-Pro ~ % docker stop cc167092ff76
cc167092ff76
(base) orion-orion@MacBook-Pro ~ % docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
用docker images檢視有哪些本地映象：
(base) orion-orion@MacBook-Pro ~ % docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
docker/getting-started latest 157095baba98 4 weeks ago 27.4MB
3. 用Docker打包Python環境
接下來我們看如何用Docker打包一個Python環境。
首先，我們編寫一個Python小Demo：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.arange(-10, 10, 0.01)
y = x**2
plt.plot(x, y)
plt.savefig("/out/quad.png")
# 此處的/out為容器內的絕對路徑，無需手動建立，
# 後面我們會設定掛載引數自動生成該目錄
然後我們編輯好requirements.txt：
numpy==1.21.3
matplotlib==3.4.3
再編輯好Dockerfile:
# syntax=docker/dockerfile:1
FROM python:3.9-slim-buster
WORKDIR /draw_quad
COPY requirements.txt requirements.txt
RUN pip3 install -r requirements.txt
COPY . .
CMD [ "python3", "draw_quad.py"]
我們來細細看Dockerfile每一部分。
首先，# syntax是指解析器指令。這裡使用docker/dockerfile:1，即始終指向版本1語法的最新版本。
之後，我們需要告訴Docker我們在應用中使用什麼基礎映象。由於Docker映象可以從其它映象繼承，因此我們並不構建自己的基礎映象，而是使用官方的Python映象，即FROM python:3.9-slim-buster。
然後我們建立一個工作目錄/draw_quad，即後續命令的預設執行路徑。這樣我們後面就不必輸入完整的檔案路徑，而是可以使用基於工作目錄的相對路徑。如COPY requirements.txt requirements.txt其實是將requirements（第一個引數）複製到到工作目錄中(第二個引數)。
接著，我們將requirements.txt 放入映象後，就可以使用RUN命令來執行pip3 install了，這和我們在本地安裝的經驗完全相同，不過這次是將模組安裝到映象中。
此時，我們有了一個基於Python 3.9的映象，並且已經按照了我們的依賴項。下一步我們繼續用COPY
命令將原始碼新增到映象中，即DockerFile中的COPY . .。
之後，我們還需要Docker當我們的映象在容器中執行時我們想要執行什麼命令，即CMD [ "python3", "draw_quad.py"]。
最終的專案目錄如下：
draw
|____ draw_quad.py
|____ requirements.txt
|____ Dockerfile
然後我們就可以構建docker映象了（用--tag引數指定映象名稱）：
(base) orion-orion@MacBook-Pro draw % docker build --tag draw .
[+] Building 9.1s (14/14) FINISHED
=> [internal] load build definition from Dockerfile 0.0s
=> => transferring dockerfile: 37B 0.0s
=> [internal] load .dockerignore 0.0s
=> => transferring context: 2B 0.0s
=> resolve image config for docker.io/docker/dockerfile:1 4.9s
=> CACHED docker-image://docker.io/docker/dockerfile:1@sha256:443aab4ca21183e069e7d8b2dc68006594f40bddf1b15bbd83f5137bd 0.0s
=> [internal] load build definition from Dockerfile 0.0s
=> [internal] load .dockerignore 0.0s
=> [internal] load metadata for docker.io/library/python:3.9-slim-buster 3.9s
=> [1/5] FROM docker.io/library/python:3.9-slim-buster@sha256:830e161433edfe047a23ebc99c12ee0eb1dc0a50e6b5f1c98e869ac27 0.0s
=> [internal] load build context 0.0s
=> => transferring context: 594B 0.0s
=> CACHED [2/5] WORKDIR /draw_quad 0.0s
=> CACHED [3/5] COPY requirements.txt requirements.txt 0.0s
=> CACHED [4/5] RUN pip3 install -r requirements.txt 0.0s
=> [5/5] COPY . . 0.0s
=> exporting to image 0.0s
=> => exporting layers 0.0s
=> => writing image sha256:18f3a254f4ce46faa17142ece6bfd442e9157e79510ca60a789ab4d4b1a12498 0.0s
=> => naming to docker.io/library/draw 0.0s
我們輸入docker images命令可以看到名稱為draw的映象已經構建成功。
(base) orion-orion@MacBook-Pro Draw % docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
draw latest f1fc30becc34 46 seconds ago 251MB
然後就可以執行映象了（包含檔案系統掛載操作）：
(base) orion-orion@MacBook-Pro draw % docker run -d -v ${PWD}/out:/out draw
0e04d81d254fcd963924ee2492b82a6c895789525f09943b43ce0b46ac0d63a9
注意，${PWD}/out為宿主機的目錄，意思為當前目錄下的out資料夾，如果不存在則會自動為我們建立。/out為該容器中的絕對路徑，在容器啟動會自動建立/out目錄。
我們可以看到，quad.png成功在宿主機當前目錄下的out檔案中生成：
(base) orion-orion@MacBook-Pro draw % ls out
quad.png
參考
- [1] https://docs.docker.com/get-started/overview/
- [2] https://docs.docker.com/language/python/build-images/
- [3] https://stackoverflow.com/questions/31448821/how-to-write-data-to-host-file-system-from-docker-container
- [4] https://stackoverflow.com/questions/58205178/python-docker-filenotfounderror-errno-2-no-such-file-or-directory
- [5] https://www.cnblogs.com/ivictor/p/4834864.html