Docker容器编排与Docker Compose

1. Docker Compose介绍与基础概念

Docker Compose是一个用于定义和运行多容器Docker应用的工具。通过Compose，用户可以用YAML文件来定义多个容器的服务、网络、存储等配置，并通过一个命令来启动、停止和管理这些容器。它简化了多容器应用的管理，特别是当应用涉及到多个服务（例如Web服务器、数据库、缓存等）时，Compose成为开发和生产环境中不可或缺的工具。

1.1 为什么使用Docker Compose？

Docker Compose的主要优势是它能够在单一的配置文件中定义多个容器的关系、配置和依赖，使得多容器应用的部署和管理更加简洁、快速。其主要优势包括：

统一配置：所有容器的配置都集中在一个docker-compose.yml文件中，便于管理和维护。
简化多容器管理：只需要一个命令就可以启动、停止和查看多容器应用的状态。
灵活的依赖关系管理：可以指定容器之间的依赖关系，确保容器按正确顺序启动。
环境变量支持：可以为容器设置环境变量，支持动态配置。

1.2 Docker Compose架构

Docker Compose主要有三个核心组件：

服务（Services）：每个服务对应一个容器，Compose文件中定义的每个服务都会被映射为一个独立的Docker容器。
网络（Networks）：Compose自动为容器提供网络支持，允许容器之间相互通信。用户可以定义多个网络并指定服务间如何通信。
数据卷（Volumes）：Compose还可以定义持久化存储，通过卷的方式将容器的文件持久化到宿主机或者共享卷。

1.3 Compose常用命令

docker-compose up：启动Compose项目中的所有容器。可以加上-d标志来让服务在后台运行。
docker-compose down：停止并删除Compose项目中的所有容器、网络和卷。
docker-compose ps：查看当前运行中的容器和服务。
docker-compose logs：查看服务的日志输出。
docker-compose build：根据docker-compose.yml文件中的定义重新构建服务镜像。

2. 编写docker-compose.yml文件

docker-compose.yml文件是Docker Compose的核心，所有容器服务、网络和卷的配置都需要在这个文件中定义。YAML文件的语法简洁且易于理解，以下是docker-compose.yml文件中常用的字段和配置项。

2.1 基本结构

一个最简单的docker-compose.yml文件结构如下：

version: "3"
services:
  web:
    image: nginx:latest
    ports:
      - "8080:80"
  db:
    image: mysql:5.7
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: rootpassword

version：指定Compose文件的版本，"3"是目前较为常用的版本。
services：定义了多个服务，每个服务对应一个容器。服务名是任意的，但必须唯一。

2.2 服务配置

每个服务可以包含多个配置项：

image：指定服务所使用的Docker镜像，可以是公共镜像或者自定义镜像。
build：如果没有现成的镜像，可以指定构建镜像的上下文路径和Dockerfile文件。
ports：将容器内部端口映射到宿主机的端口，格式为"宿主机端口:容器端口"。
environment：为容器设置环境变量，通常用于数据库配置等。
volumes：为容器挂载数据卷，可以用于持久化存储。
depends_on：指定容器启动的顺序，确保依赖的容器在启动前已经就绪。

2.3 服务扩展

depends_on：当服务依赖于其他服务时，可以使用depends_on关键字来确保服务按顺序启动。

services:
  web:
    image: nginx
    depends_on:
      - db
  db:
    image: mysql
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: rootpassword

这会确保web容器在db容器成功启动后才会启动。

2.4 网络配置

Docker Compose自动为每个服务创建一个默认的网络，容器之间可以通过服务名互相通信。如果需要自定义网络，用户可以在docker-compose.yml文件中定义网络配置。

networks:
  my_custom_network:
    driver: bridge

然后将服务连接到这个自定义网络：

services:
  web:
    image: nginx
    networks:
      - my_custom_network
  db:
    image: mysql
    networks:
      - my_custom_network

2.5 持久化存储（Volumes）

为了确保数据的持久化，可以将容器的数据挂载到宿主机或者使用命名卷（Named Volumes）。命名卷在docker-compose.yml文件中定义如下：

volumes:
  db_data:

在服务配置中，使用volumes字段来挂载：

services:
  db:
    image: mysql
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: rootpassword
    volumes:
      - db_data:/var/lib/mysql

3. 使用Compose启动多容器应用

3.1 启动容器应用

一旦完成了docker-compose.yml文件的编写，就可以使用docker-compose up命令来启动应用中的所有容器：

docker-compose up -d

-d标志表示容器在后台运行。

3.2 查看应用状态

可以使用以下命令来查看当前Compose项目中所有容器的状态：

docker-compose ps

这会显示每个容器的状态，包括是否正在运行、映射的端口等信息。

3.3 停止与删除容器

如果需要停止并删除所有容器、网络和卷，可以使用：

docker-compose down

这将停止所有服务并清理所有资源。若只需要停止容器而不删除它们，则可以使用：

docker-compose stop

3.4 查看服务日志

查看所有服务的日志：

docker-compose logs

查看指定服务的日志：

docker-compose logs web

4. 配置容器的依赖关系、环境变量和网络

4.1 配置依赖关系

在实际应用中，某些容器服务可能依赖于其他容器的启动。例如，Web应用可能需要等待数据库容器启动后再启动。通过depends_on关键字，Compose可以管理服务间的依赖关系。

services:
  web:
    image: nginx
    depends_on:
      - db
  db:
    image: mysql
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: rootpassword

这样配置后，web服务会等待db服务启动成功后才会启动。

4.2 配置环境变量

Docker Compose支持通过environment字段为容器服务配置环境变量，这对配置数据库连接、API密钥等非常有用。

services:
  db:
    image: mysql:5.7
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: rootpassword
      MYSQL_DATABASE: mydb
      MYSQL_USER: myuser
      MYSQL_PASSWORD: mypassword

这些环境变量将在容器启动时传递给容器内部。

4.3 配置自定义网络

为了在多容器应用中保证服务间的通信，Docker Compose提供了自定义网络的功能。通过networks字段，用户可以指定一个或多个网络。

services:
  web:
    image: nginx
    networks:
      - backend_network
  db:
    image: mysql
    networks:
      - backend_network

networks:
  backend_network:
    driver: bridge

5. 服务扩展与负载均衡

5.1 服务扩展

Docker Compose允许用户扩展服务实例，例如，可以指定启动多个Web容器来提高应用的可用性和扩展性。

services:
  web:
    image: nginx
    deploy:
      replicas: 3

这会启动三个Web容器实例，帮助实现负载均衡和高可用。

5.2 负载均衡

在Docker Compose中，负载均衡通常依赖于使用多个Web容器实例。Docker会自动将流量均匀分配到不同的容器实例上。

对于更复杂的负载均衡需求，可以配合使用Nginx、Traefik等反向代理服务来提供更细粒度的流量分配和管理。

6. 实践：创建一个包含Web服务器和数据库的Docker Compose应用

6.1 应用场景

假设我们要创建一个简单的Web应用，它包括一个Nginx Web服务器和一个MySQL数据库。Web应用需要访问数据库来提供动态内容。

6.2 创建`docker-compose.yml`文件

version: "3.8"

services:
  web:
    image: nginx:latest
    ports:
      - "8080:80"
    volumes:
      - ./html:/usr/share/nginx/html
    depends_on:
      - db

  db:
    image: mysql:5.7
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: rootpassword
      MYSQL_DATABASE: mydb
      MYSQL_USER: user
      MYSQL_PASSWORD: userpassword
    volumes:
      - db_data:/var/lib/mysql

volumes:
  db_data: