使用 docker buildx 构建跨平台镜像

buildx是Docker官方提供的一个构建工具，它可以帮助用户快速、高效地构建Docker镜像，并支持多种平台的构建。使用buildx，用户可以在单个命令中构建多种架构的镜像，例如x86和arm架构，而无需手工操作多个构建命令。此外buildx还支持Dockerfile的多阶段构建和缓存，这可以大大提供镜像构建的效率和速度。

buildx是一个管理Docker构建的CLI插件，底层使用了BuildKit扩展了Docker构建功能。

BuildKit是Docker官方提供一个高性能构建引擎，可以用来替代Docker原有的构建引擎。相比于原有引擎，BuildKit具有更快的构建速度、更高的并行性、更少的资源占用和更好的安全性。

要安装并使用buildx，需要Docker Engine版本号大于等于19.03。

跨平台镜像构建策略

builder支持是那种不通策略构建跨平台镜像。

在内核中使用QEMU仿真支持

如果你正在使用Docker Desktop，则已经支持了QEMU，QEMU是最简单的构建跨平台镜像策略。它不需要对原有的Dockerfile进行任何更改，BuildKit会通过binfmt_misc这一Linux内核功能实现跨平台程序的执行。

工作原理：

QEMU是一个处理器模拟器，可以模拟不通的CPU架构，我们可以把它理解为是另一种形式的虚拟机。在buildx中，QEMU用于在构建过程中执行非本地架构的二进制文件。例如，在x86主机上构建一个ARM镜像时，QEMU可以模拟ARM环境并运行ARM二进制文件。

binfmt_misc是Linux内核的一个模块，它允许用户注册可执行文件格式和响应的解释器。当内核遇到未知格式的可执行文件时，会使用binfmt_misc查找与该文件格式关联的解释器（在这种情况下是QEMU）并运行文件。rk3568的平台上此功能是关闭的。

QEMU和binfmt_misc的结合使得通过buildx跨平台构建成为可能。这样我们就可以在一个架构的主机上构建针对其他架构的Docker镜像，而无需拥有实际的目标硬件。

虽然Docker Desktop预配置了binfmt_misc对其他平台的支持，但对于其他版本Docker，你可能需要使用tonistiigi/binfmt镜像启动一个特权容器来进行支持。

docker run --privileged --rm tonistiigi/binfmt --install all

运行此命令会安装不同架构的解释器程序，即/usr/bin目录下的qemu模拟器：

在我们编译服务器上加载了binfmt_misc模块：

docker buildx使用qemu的作用

Docker Buildx 是 Docker 的一个实验性功能，它扩展了 Docker 的构建功能，包括使用多节点、qemu 等。QEMU 是一个开源的虚拟机软件，它可以模拟不同的 CPU 和其他硬件，使得我们可以在一个操作系统上构建另一种操作系统的镜像。

使用 Docker Buildx 的 qemu 功能，可以帮助我们构建面向多种不同架构（如 ARM、MIPS 等）的 Docker 镜像。

以下是一个简单的例子，展示如何使用 Docker Buildx 和 QEMU 来构建一个面向 ARM 架构的 Docker 镜像：

# 创建一个新的 buildkit 实例
docker buildx create --name mybuilder --use
 
# 启动 buildkit 实例
docker buildx start mybuilder
 
# 启用 QEMU 驱动支持
docker buildx inspect --bootstrap
 
# 构建一个面向 ARM 架构的 Docker 镜像
docker buildx build --platform linux/arm/v7 -t myimage:latest .

在这个例子中，--platform 参数指定了我们想要构建的目标平台是 ARM v7。这样，Docker 会使用 QEMU 来模拟一个 ARM 环境，并在 x86 架构的机器上构建出面向 ARM 架构的 Docker 镜像。

binfmt_misc文件系统

binfmt-misc是Linux内核提供的一种类似windows上文件关联的功能，但比文件关联更强大的是，它不仅可以根据文件后缀名判断，还可以根据文件内容（Magic Bytes）使用不同的程序打开。一个典型的使用场景就是：使用qemu运行其他架构平台上的二进制文件。

开启binfmt-misc

临时开启可以使用以下命令：

$ sudo mount binfmt_misc -t binfmt_misc /proc/sys/fs/binfmt_misc

这种方式重启后会失效，如果想长期生效，可以在/etc/fstab文件中增加一行：

none  /proc/sys/fs/binfmt_misc binfmt_misc defaults 0 0

可以使用以下命令检查开启是否成功：

$ mount | grep binfmt_misc
binfmt_misc on /proc/sys/fs/binfmt_misc type binfmt_misc (rw,relatime)
$ ls -l /proc/sys/fs/binfmt_misc
总用量 0
--w------- 1 root root 0 2月   5 22:55 register
-rw-r--r-- 1 root root 0 2月   5 22:55 status

先准备一个arm64架构的程序，执行后发现有报错：

bash: ./go-test：无法执行二进制文件: 可执行文件格式错误

现在，我们执行一下apt install qemu-user-binfmt命令，然后再运行上面的arm64程序，发现能正常运行了。安装qemu-user-binfmt后，会在/proc/sys/fs/binfmt_misc目录下创建若干个文件，其中就有一个qemu-aarch64，来看一下这个文件的内容：

root@ubuntu:/proc/sys/fs/binfmt_misc# cat qemu-aarch64 
enabled
interpreter /usr/bin/qemu-aarch64-static
flags: OC
offset 0
magic 7f454c460201010000000000000000000200b700
mask ffffffffffffff00fffffffffffffffffeffffff
root@ubuntu:/proc/sys/fs/binfmt_misc#

这个文件描述的是规则文件：

第一行enabled表示该规则启用 ；

第二行 interpreter /usr/bin/qemu-aarch64-static表示使用/usr/bin/qemu-aarch64-static来执行二进制文件；

第三行：OC表示运行的标志位，具体含义如下：

P： 表示perserve-argv，这意味着在调用模拟器时，原始的参数(argv)将被保留。这对于默写程序在运行时需要知道它们自己的名称(即argv0)的情况很有用

O: 表示offset，这意味着在启动模拟器之前，需要从二进制文件中读取一个偏移量，这个偏移量将作为模拟器的一个参数

C：表示credentials，这意味着模拟器将使用于原始程序相同的用户ID和组ID运行，这有助于确保模拟器在运行时与原始程序相同的权限。

第四行：offset 0表示从0便宜值开始读取文件；

第五行： magic 7f454c460201010000000000000000000200b700表示要匹配的模数字节；

arm64架构的ELF文件头部的magic字段如下，也就是说binfmt_misc文件系统可以根据ELF文件中的magic字段来决定此文件使用哪个架构的模拟器运行：

下面是两个不同架构的

mips架构的： 7f454c4601020100000000000000000000020008

arm64架构的：7f454c460201010000000000000000000200b700

第六行：mask ffffffffffffff00fffffffffffffffffeffffff 表示字节掩码，用哦过来忽略掉文件中的一些不重要的字节。

在x86_64系统中运行arm64架构的Docker镜像

现在我们用docker命令运行一个arm64的镜像：

$ docker run -it arm64v8/ubuntu bash
Unable to find image 'arm64v8/ubuntu:latest' locally
latest: Pulling from arm64v8/ubuntu
005e2837585d: Pull complete 
Digest: sha256:ba545858745d6307f0d1064d0d25365466f78d02f866cf4efb9e1326a4c196ca
Status: Downloaded newer image for arm64v8/ubuntu:latest
standard_init_linux.go:207: exec user process caused "no such file or directory"

通过一番探索之后，发现只要执行下命令：apt install qemu-user-static，再启动docker容器就正常了。

使用 Dockerfile 中的多阶段交叉构建

交叉编译的复杂度不在于Docker，而是取决于程序本身。比如Go程序就很容易实现交叉编译，只需要在使用go build构建程序时执行GOOS、GOARCH两个环境变量即可实现。

创建builder

要使用buildx构建跨 平台镜像，我们需要先创建一个builder，可以翻译为构建器。

使用docker buildx ls命令可以查看builder列表：

root@ubuntu:/proc# docker buildx ls
NAME/NODE         DRIVER/ENDPOINT             STATUS  PLATFORMS
mybuild *         docker-container                    
  mybuild0        unix:///var/run/docker.sock running linux/arm64*, linux/amd64, linux/amd64/v2, linux/amd64/v3, linux/amd64/v4, linux/386
vigilant_hugle    docker-container                    
  vigilant_hugle0 unix:///var/run/docker.sock stopped 
default           docker                              
  default         default                     running linux/amd64, linux/386

*号表示当前正在使用的builder，当我们运行docker build命令时就是在使用此builder构建镜像。第二列的DRIVER/ENDPOINT表示使用的驱动程序。buildx支持以下几种驱动程序：

• docker：使用捆绑到Docker守护进程中的BuildKit库，就是安装Docker后默认的BuildKit。
• docker-container：使用Docker新创建一个专用的BuildKit容器。
• kubernetes: 在kubernetes集群中创建一个BuildKit Pod。
• remote：直接连接到手工管理的BuildKit守护进程。

因为使用docker驱动程序的默认builder不支持使用单条命令（默认builder的--platform参数只接收单个值）构建跨平台镜像，所以我们需要使用docker-container驱动创建一个新的builder。

命令语法如下：

$ docker buildx create --name=<builder-name> --driver=<driver> --driver-opt=<driver-options>

参数含义如下；

--name: 构建起名称，必填。

--driver:构建器驱动程序，默认为docker-container。

--driver-opt：驱动程序选项，如选项--driver-opt=image=moby/buildkit:v0.11.3可以安装指定版本的BuildKit，默认值为moby/buildkit。

我们可以使用如下命令创建一个新的builder：

$ docker buildx create --name mybuilder
mybuilder

再次查看 builder 列表:

$ docker buildx ls
NAME/NODE       DRIVER/ENDPOINT             STATUS   BUILDKIT PLATFORMS
mybuilder *     docker-container
  mybuilder0    unix:///var/run/docker.sock inactive
default         docker
  default       default                     running  20.10.21 linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/arm/v7, linux/arm/v6
desktop-linux   docker
  desktop-linux desktop-linux               running  20.10.21 linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/arm/v7, linux/arm/v6

可以发现选中的构建起已经切换到了Mybuilder，如果没有选中，你需要手动使用docker buildx use mybuilder命令切换构建器。

启动 builder

我们新创建的mybuilder当前状态为inactive，需要启动才能使用。

$ docker buildx inspect --bootstrap mybuilder
[+] Building 16.8s (1/1) FINISHED
 => [internal] booting buildkit                                                                                                                                  16.8s
 => => pulling image moby/buildkit:buildx-stable-1                                                                                                               16.1s
 => => creating container buildx_buildkit_mybuilder0                                                                                                              0.7s
Name:   mybuilder
Driver: docker-container

Nodes:
Name:      mybuilder0
Endpoint:  unix:///var/run/docker.sock
Status:    running
Buildkit:  v0.9.3
Platforms: linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/mips64le, linux/mips64, linux/arm/v7, linux/arm/v6

inspect子命令用来检查构建起状态，使用--bootstrap参数可以启动mybuilder构建器，再次查看builder列表，mybuilder状态已经变成了running。

$ docker buildx ls
NAME/NODE       DRIVER/ENDPOINT             STATUS  BUILDKIT PLATFORMS
mybuilder *     docker-container
  mybuilder0    unix:///var/run/docker.sock running v0.9.3   linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/mips64le, linux/mips64, linux/arm/v7, linux/arm/v6
default         docker
  default       default                     running 20.10.21 linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/arm/v7, linux/arm/v6
desktop-linux   docker
  desktop-linux desktop-linux               running 20.10.21 linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/arm/v7, linux/arm/v6

其中PLATFORMS一列所展示的值

linux/arm64, linux/amd64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/386, linux/mips64le, linux/mips64, linux/arm/v7, linux/arm/v6 就是当前构建器所支持的所有平台了。

现在使用docker ps命令可以看到mybuilder构建器所对应的BuildKit容器已经启动。

$ docker ps
CONTAINER ID   IMAGE                           COMMAND                  CREATED         STATUS         PORTS                                NAMES
b8887f253d41   moby/buildkit:buildx-stable-1   "buildkitd"              4 minutes ago   Up 4 minutes                                        buildx_buildkit_mybuilder0

这个容器就是辅助我们构建跨平台镜像用的，不要手动删除它。

使用 builder 构建跨平台镜像

$ docker buildx build --platform linux/arm64,linux/amd64 -t jianghushinian/hello-go .

docker buildx build 语法跟 docker build 一样, --platform 参数表示构建镜像的目标平台, -t 表示镜像的 Tag, . 表示上下文为当前目录。

唯一不通的是对--platform参数的支持，docker build的--platform参数只支持传递一个平台信息，如--platform linux/arm64，也就是一次能构建单个平台的镜像。

而使用docker buildx build构建镜像则支持同时传递多个平台信息，中间使用英文逗号分隔，这样就实现了只用一条命令便可以构建多个跨平台镜像的功能。

执行以上命令后，我们将会得到一条警告：

WARNING: No output specified with docker-container driver. Build result will only remain in the build cache. To push result image into registry use --push or to load image into docker use --load

这条警告提示我们没有为docker-container驱动程序指定输出，生成结果将只会保留在构建缓存中，使用--push可以将镜像推送到Docker Hub远程仓库，使用--load可以将镜像保存在本地。

这是因为我们新创建的mybuilder是启动了一个容器来运行BuildKit，它并不能直接将构建好的跨平台镜像输出到本机或推送到远程，必须要用户来手动指定输出位置。

我们可以尝试指定--load将镜像保存在本地主机。

$ docker buildx build --platform linux/arm64,linux/amd64 -t jianghushinian/hello-go . --load
[+] Building 0.0s (0/0)
ERROR: docker exporter does not currently support exporting manifest lists

结果会得到一条错误日志。看来它并不支持将跨平台镜像输出到本地，这其实是因为传递了多个--platform的关系，如果--platform只传递了一个平台，则可以使用--load将构建好的镜像输出到本机。

那么我们就只能通过--push参数将跨平台镜像推送到远程仓库了。不过在此之前需要确保使用docker login完成登录。

$ docker buildx build --platform linux/arm64,linux/amd64 -t jianghushinian/hello-go . --push

现在登录Docker Hub就可以看见推送上来的跨平台镜像了。

我们也可以使用imagestools来检查跨平台镜像的manifest信息，这条命令只能用来获取仓库中的image信息，本地的images无法查看。

$ docker buildx imagetools inspect jianghushinian/hello-go
Name:      docker.io/jianghushinian/hello-go:latest
MediaType: application/vnd.docker.distribution.manifest.list.v2+json
Digest:    sha256:51199dadfc55b23d6ab5cfd2d67e38edd513a707273b1b8b554985ff562104db

Manifests:
  Name:      docker.io/jianghushinian/hello-go:latest@sha256:8032a6f23f3bd3050852e77b6e4a4d0a705dfd710fb63bc4c3dc9d5e01c8e9a6
  MediaType: application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json
  Platform:  linux/arm64

  Name:      docker.io/jianghushinian/hello-go:latest@sha256:fd46fd7e93c7deef5ad8496c2cf08c266bac42ac77f1e444e83d4f79d58441ba
  MediaType: application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json
  Platform:  linux/amd64

可以看到，这个跨平台镜像包含了两个目标平台的镜像，分别是linux/arm64和linux/amd64。