原文鏈接：Docker Images : Part I - Reducing Image Size
對于剛接觸容器的人來說，他們很容易被自己構建的 Docker 鏡像體積嚇到，我只需要一個幾 MB 的可執行檔案而已，為何鏡像的體積會達到 1 GB 以上？本文將會介紹幾個奇技淫巧來幫助你精簡鏡像，同時又不犧牲開發人員和運維人員的操作便利性，本系列文章將分為三個部分：
第一部分著重介紹多階段構建（multi-stage builds），因為這是鏡像精簡之路至關重要的一環，在這部分內容中，我會解釋靜態鏈接和動態鏈接的區別，它們對鏡像帶來的影響，以及如何避免那些不好的影響，中間會穿插一部分對 Alpine 鏡像的介紹，
第二部分將會針對不同的語言來選擇適當的精簡策略，其中主要討論 Go，同時也涉及到了 Java，Node，Python，Ruby 和 Rust，這一部分也會詳細介紹 Alpine 鏡像的避坑指南，什么？你不知道 Alpine 鏡像有哪些坑？我來告訴你，
第三部分將會探討適用于大多數語言和框架的通用精簡策略，例如使用常見的基礎鏡像、提取可執行檔案和減小每一層的體積，同時還會介紹一些更加奇特或激進的工具，例如 Bazel，Distroless，DockerSlim 和 UPX，雖然這些工具在某些特定場景下能帶來奇效，但大多情況下會起到反作用，
本文介紹第一部分，
1. 萬惡之源
我敢打賭，每一個初次使用自己寫好的代碼構建 Docker 鏡像的人都會被鏡像的體積嚇到，來看一個例子，
讓我們搬出那個屢試不爽的 hello world C 程式：
/* hello.c */
int main () {
puts("Hello, world!");
return 0;
}
并通過下面的 Dockerfile 構建鏡像：
FROM gcc
COPY hello.c .
RUN gcc -o hello hello.c
CMD ["./hello"]
然后你會發現構建成功的鏡像體積遠遠超過了 1 GB，，，因為該鏡像包含了整個 gcc 鏡像的內容，
如果使用 Ubuntu 鏡像，安裝 C 編譯器，最后編譯程式，你會得到一個大概 300 MB 大小的鏡像，比上面的鏡像小多了，但還是不夠小，因為編譯好的可執行檔案還不到 20 KB：
$ ls -l hello
-rwxr-xr-x 1 root root 16384 Nov 18 14:36 hello
類似地，Go 語言版本的 hello world 會得到相同的結果：
package main
import "fmt"
func main () {
fmt.Println("Hello, world!")
}
使用基礎鏡像 golang 構建的鏡像大小是 800 MB，而編譯后的可執行檔案只有 2 MB 大小：
$ ls -l hello
-rwxr-xr-x 1 root root 2008801 Jan 15 16:41 hello
還是不太理想，有沒有辦法大幅度減少鏡像的體積呢？往下看，
為了更直觀地對比不同鏡像的大小，所有鏡像都使用相同的鏡像名，不同的標簽，例如：hello:gcc，hello:ubuntu，hello:thisweirdtrick 等等，這樣就可以直接使用命令 docker images hello 列出所有鏡像名為 hello 的鏡像，不會被其他鏡像所干擾，
2. 多階段構建
要想大幅度減少鏡像的體積，多階段構建是必不可少的，多階段構建的想法很簡單：“我不想在最終的鏡像中包含一堆 C 或 Go 編譯器和整個編譯工具鏈，我只要一個編譯好的可執行檔案！”
多階段構建可以由多個 FROM 指令識別，每一個 FROM 陳述句表示一個新的構建階段，階段名稱可以用 AS 引數指定，例如：
FROM gcc AS mybuildstage
COPY hello.c .
RUN gcc -o hello hello.c
FROM ubuntu
COPY --from=mybuildstage hello .
CMD ["./hello"]
本例使用基礎鏡像 gcc 來編譯程式 hello.c，然后啟動一個新的構建階段，它以 ubuntu 作為基礎鏡像，將可執行檔案 hello 從上一階段拷貝到最終的鏡像中，最終的鏡像大小是 64 MB，比之前的 1.1 GB 減少了 95%：
?? → docker images minimage
REPOSITORY TAG ... SIZE
minimage hello-c.gcc ... 1.14GB
minimage hello-c.gcc.ubuntu ... 64.2MB
還能不能繼續優化？當然能，在繼續優化之前，先提醒一下：
在宣告構建階段時，可以不必使用關鍵詞 AS，最終階段拷貝檔案時可以直接使用序號表示之前的構建階段（從零開始），也就是說，下面兩行是等效的：
COPY --from=mybuildstage hello .
COPY --from=0 hello .
如果 Dockerfile 內容不是很復雜，構建階段也不是很多，可以直接使用序號表示構建階段，一旦 Dockerfile 變復雜了，構建階段增多了，最好還是通過關鍵詞 AS 為每個階段命名，這樣也便于后期維護，
使用經典的基礎鏡像
我強烈建議在構建的第一階段使用經典的基礎鏡像，這里經典的鏡像指的是 CentOS，Debian，Fedora 和 Ubuntu 之類的鏡像，你可能還聽說過 Alpine 鏡像，不要用它！至少暫時不要用，后面我會告訴你有哪些坑，
COPY --from 使用絕對路徑
從上一個構建階段拷貝檔案時，使用的路徑是相對于上一階段的根目錄的，如果你使用 golang 鏡像作為構建階段的基礎鏡像，就會遇到類似的問題，假設使用下面的 Dockerfile 來構建鏡像：
FROM golang
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM ubuntu
COPY --from=0 hello .
CMD ["./hello"]
你會看到這樣的報錯：
COPY failed: stat /var/lib/docker/overlay2/1be...868/merged/hello: no such file or directory
這是因為 COPY 命令想要拷貝的是 /hello，而 golang 鏡像的 WORKDIR 是 /go，所以可執行檔案的真正路徑是 /go/hello，
當然你可以使用絕對路徑來解決這個問題，但如果后面基礎鏡像改變了 WORKDIR 怎么辦？你還得不斷地修改絕對路徑，所以這個方案還是不太優雅，最好的方法是在第一階段指定 WORKDIR，在第二階段使用絕對路徑拷貝檔案，這樣即使基礎鏡像修改了 WORKDIR，也不會影響到鏡像的構建，例如：
FROM golang
WORKDIR /src
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM ubuntu
COPY --from=0 /src/hello .
CMD ["./hello"]
最后的效果還是很驚人的，將鏡像的體積直接從 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
3. FROM scratch 的魔力
回到我們的 hello world，C 語言版本的程式大小為 16 kB，Go 語言版本的程式大小為 2 MB，那么我們到底能不能將鏡像縮減到這么小？能否構建一個只包含我需要的程式，沒有任何多余檔案的鏡像？
答案是肯定的，你只需要將多階段構建的第二階段的基礎鏡像改為 scratch 就好了，scratch 是一個虛擬鏡像，不能被 pull，也不能運行，因為它表示空、nothing！這就意味著新鏡像的構建是從零開始，不存在其他的鏡像層，例如：
FROM golang
COPY hello.go .
RUN go build hello.go
FROM scratch
COPY --from=0 /go/hello .
CMD ["./hello"]
這一次構建的鏡像大小正好就是 2 MB，堪稱完美！
然而，但是，使用 scratch 作為基礎鏡像時會帶來很多的不便，且聽我一一道來，
缺少 shell
scratch 鏡像的第一個不便是沒有 shell，這就意味著 CMD/RUN 陳述句中不能使用字串，例如：
...
FROM scratch
COPY --from=0 /go/hello .
CMD ./hello
如果你使用構建好的鏡像創建并運行容器，就會遇到下面的報錯：
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.
從報錯資訊可以看出，鏡像中并不包含 /bin/sh，所以無法運行程式，這是因為當你在 CMD/RUN 陳述句中使用字串作為引數時，這些引數會被放到 /bin/sh 中執行，也就是說，下面這兩條陳述句是等效的：
CMD ./hello
CMD /bin/sh -c "./hello"
解決辦法其實也很簡單：使用 JSON 語法取代字串語法，例如，將 CMD ./hello 替換為 CMD ["./hello"]，這樣 Docker 就會直接運行程式，不會把它放到 shell 中運行，
缺少除錯工具
scratch 鏡像不包含任何除錯工具，ls、ps、ping 這些統統沒有，當然了，shell 也沒有（上文提過了），你無法使用 docker exec 進入容器，也無法查看網路堆疊資訊等等，
如果想查看容器中的檔案，可以使用 docker cp；如果想查看或除錯網路堆疊，可以使用 docker run --net container:，或者使用 nsenter；為了更好地除錯容器，Kubernetes 也引入了一個新概念叫 Ephemeral Containers，但現在還是 Alpha 特性，
雖然有這么多雜七雜八的方法可以幫助我們除錯容器，但它們會將事情變得更加復雜，我們追求的是簡單，越簡單越好，
折中一下可以選擇 busybox 或 alpine 鏡像來替代 scratch，雖然它們多了那么幾 MB，但從整體來看，這只是犧牲了少量的空間來換取除錯的便利性，還是很值得的，
缺少 libc
這是最難解決的問題，使用 scratch 作為基礎鏡像時，Go 語言版本的 hello world 跑得很歡快，C 語言版本就不行了，或者換個更復雜的 Go 程式也是跑不起來的（例如用到了網路相關的工具包），你會遇到類似于下面的錯誤：
standard_init_linux.go:211: exec user process caused "no such file or directory"
從報錯資訊可以看出缺少檔案，但沒有告訴我們到底缺少哪些檔案，其實這些檔案就是程式運行所必需的動態庫（dynamic library），
那么，什么是動態庫？為什么需要動態庫？
所謂動態庫、靜態庫，指的是程式編譯的鏈接階段，鏈接成可執行檔案的方式，靜態庫指的是在鏈接階段將匯編生成的目標檔案.o 與參考到的庫一起鏈接打包到可執行檔案中，因此對應的鏈接方式稱為靜態鏈接（static linking），而動態庫在程式編譯時并不會被連接到目標代碼中，而是在程式運行是才被載入，因此對應的鏈接方式稱為動態鏈接（dynamic linking），
90 年代的程式大多使用的是靜態鏈接，因為當時的程式大多數都運行在軟盤或者盒式磁帶上，而且當時根本不存在標準庫，這樣程式在運行時與函式庫再無瓜葛，移植方便，但對于 Linux 這樣的分時系統，會在在同一塊硬碟上并發運行多個程式，這些程式基本上都會用到標準的 C 庫，這時使用動態鏈接的優點就體現出來了，使用動態鏈接時，可執行檔案不包含標準庫檔案，只包含到這些庫檔案的索引，例如，某程式依賴于庫檔案 libtrigonometry.so 中的 cos 和 sin 函式，該程式運行時就會根據索引找到并加載 libtrigonometry.so，然后程式就可以呼叫這個庫檔案中的函式，
使用動態鏈接的好處顯而易見：
- 節省磁盤空間，不同的程式可以共享常見的庫，
- 節省記憶體，共享的庫只需從磁盤中加載到記憶體一次，然后在不同的程式之間共享，
- 更便于維護，庫檔案更新后，不需要重新編譯使用該庫的所有程式，
嚴格來說，動態庫與共享庫（shared libraries）相結合才能達到節省記憶體的功效，Linux 中動態庫的擴展名是 .so（ shared object），而 Windows 中動態庫的擴展名是 .DLL（Dynamic-link library），
回到最初的問題，默認情況下，C 程式使用的是動態鏈接，Go 程式也是，上面的 hello world 程式使用了標準庫檔案 libc.so.6，所以只有鏡像中包含該檔案，程式才能正常運行，使用 scratch 作為基礎鏡像肯定是不行的，使用 busybox 和 alpine 也不行，因為 busybox 不包含標準庫，而 alpine 使用的標準庫是 musl libc，與大家常用的標準庫 glibc 不兼容，后續的文章會詳細解讀，這里就不贅述了，
那么該如何解決標準庫的問題呢？有三種方案，
1、使用靜態庫
我們可以讓編譯器使用靜態庫編譯程式，辦法有很多，如果使用 gcc 作為編譯器，只需加上一個引數 -static：
$ gcc -o hello hello.c -static
編譯完的可執行檔案大小為 760 kB，相比于之前的 16kB 是大了好多，這是因為可執行檔案中包含了其運行所需要的庫檔案，編譯完的程式就可以跑在 scratch 鏡像中了，
如果使用 alpine 鏡像作為基礎鏡像來編譯，得到的可執行檔案會更小（< 100kB），下篇文章會詳述，
2、拷貝庫檔案到鏡像中
為了找出程式運行需要哪些庫檔案，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)
從輸出結果可知，該程式只需要 libc.so.6 這一個庫檔案，linux-vdso.so.1 與一種叫做 VDSO 的機制有關，用來加速某些系統呼叫，可有可無，ld-linux-x86-64.so.2 表示動態聯結器本身，包含了所有依賴的庫檔案的資訊，
你可以選擇將 ldd 列出的所有庫檔案拷貝到鏡像中，但這會很難維護，特別是當程式有大量依賴庫時，對于 hello world 程式來說，拷貝庫檔案完全沒有問題，但對于更復雜的程式（例如使用到 DNS 的程式），就會遇到令人費解的問題：glibc（GNU C library）通過一種相當復雜的機制來實作 DNS，這種機制叫 NSS（Name Service Switch, 名稱服務開關），它需要一個組態檔 /etc/nsswitch.conf 和額外的函式庫，但使用 ldd 時不會顯示這些函式庫，因為這些庫在程式運行后才會加載，如果想讓 DNS 決議正確作業，必須要拷貝這些額外的庫檔案（/lib64/libnss_*），
我個人不建議直接拷貝庫檔案，因為它非常難以維護，后期需要不斷地更改，而且還有很多未知的隱患，
3、使用 busybox:glibc 作為基礎鏡像
有一個鏡像可以完美解決所有的這些問題，那就是 busybox:glibc，它只有 5 MB 大小，并且包含了 glibc 和各種除錯工具，如果你想選擇一個合適的鏡像來運行使用動態鏈接的程式，busybox:glibc 是最好的選擇，
注意：如果你的程式使用到了除標準庫之外的庫，仍然需要將這些庫檔案拷貝到鏡像中，
4. 總結
最后來對比一下不同構建方法構建的鏡像大小：
- 原始的構建方法：1.14 GB
- 使用
ubuntu鏡像的多階段構建：64.2 MB - 使用
alpine鏡像和靜態glibc：6.5 MB - 使用
alpine鏡像和動態庫：5.6 MB - 使用
scratch鏡像和靜態glibc：940 kB - 使用
scratch鏡像和靜態musl libc：94 kB
最終我們將鏡像的體積減少了 99.99%，
但我不建議使用 sratch 作為基礎鏡像，因為除錯起來非常麻煩，但如果你喜歡，我也不會攔著你，
下篇文章將會著重介紹 Go 語言的鏡像精簡策略，其中會花很大的篇幅來討論 alpine 鏡像，因為它實在是太酷了，在使用它之前必須得摸清它的底細，
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