Docker入门:容器化技术的第一堂课

Docker入门:容器化技术的第一堂课

🌟 你好,我是 励志成为糕手 !

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每一行代码都是我种下的星光,在逻辑的土壤里生长成璀璨的银河;

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每一次调试都是星际对话,用耐心和智慧解开宇宙的谜题。

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目录

容器化世界的探索之旅

作为一名刚刚踏入技术博客创作领域的新手,我深知学习新技术的挑战与乐趣。Docker作为现代开发环境中不可或缺的工具,一直是我近期学习的重点。还记得我第一次接触Docker时,被各种概念和命令搞得晕头转向,甚至一度怀疑自己是否适合继续深入这个领域。然而,经过不断的实践和摸索,我逐渐理解了Docker的核心理念和基本操作,感受到了它带来的便利与效率提升。

在这篇文章中,我将以自己的学习经历为基础,为大家梳理Docker的入门知识,包括Docker的基本概念、安装配置、常用命令以及实际应用场景。我会尽量用简洁明了的语言,配合实用的代码示例和直观的图表,帮助你快速掌握Docker的基础知识。无论你是完全的新手,还是已经有一些了解但想要系统学习的开发者,这篇文章都能为你提供有价值的参考。

让我们一起揭开Docker的神秘面纱,探索容器化技术的奇妙世界!通过这篇文章,你将了解Docker如何解决"在我的机器上能运行"的经典问题,如何简化开发环境的配置,以及如何提高应用部署的一致性和可靠性。准备好了吗?让我们开始这段Docker入门之旅吧!

Docker基础概念

在深入学习Docker之前,我们需要先理解几个核心概念,这些是构建Docker知识体系的基础。

什么是Docker?

Docker是一个开源的应用容器引擎,让开发者可以将应用及其依赖打包到一个可移植的容器中,然后发布到任何流行的Linux或Windows操作系统的机器上。Docker使用沙箱机制,相互隔离,不会互相影响。

"Build once, run anywhere"(构建一次,到处运行)是Docker的核心理念,它彻底改变了我们部署和运行应用的方式。

Docker的核心组件

Docker的架构主要包含以下几个核心组件:

  1. Docker引擎:Docker的核心部分,负责创建和管理Docker容器。
  2. Docker镜像:Docker容器的模板,包含了运行应用所需的所有内容。
  3. Docker容器:由Docker镜像创建的运行实例。
  4. Docker仓库:存储和分发Docker镜像的地方,如Docker Hub。

下面是Docker架构的可视化表示:
Docker Registry Docker Host Docker Client REST API pull/push Docker Hub
私有仓库 Docker Daemon
dockerd Images
镜像 Containers
容器 Networks
网络 Volumes
数据卷 Docker CLI
docker build
docker pull
docker run

图1:Docker架构图 - 展示了Docker Client、Docker Host和Docker Registry之间的关系和交互方式

Docker vs 虚拟机

Docker容器和传统虚拟机有着本质的区别,下表对比了两者的主要特点:

特性 Docker容器 虚拟机
启动时间 秒级 分钟级
占用磁盘空间 MB级 GB级
性能 接近原生 有所损耗
隔离级别 进程级隔离 完全隔离
操作系统 共享宿主机OS 需要完整OS
可移植性 非常高 较低

Docker安装与配置

在不同的操作系统上安装Docker的方法略有不同,这里我主要介绍在Windows和Linux上的安装方法。

Windows上安装Docker

在Windows上,我们可以安装Docker Desktop,它包含了Docker引擎、Docker CLI客户端、Docker Compose等组件。

  1. 首先,确保你的Windows系统满足以下要求:

    • Windows 10 64位:专业版、企业版或教育版(Build 16299或更高版本)
    • 启用Hyper-V和容器功能
  2. Docker官网下载Docker Desktop安装程序

  3. 运行安装程序,按照向导完成安装

  4. 安装完成后,Docker会自动启动,你可以在系统托盘看到Docker图标

Linux上安装Docker

在CentOS上安装Docker的步骤如下:

bash 复制代码
# 安装必要的依赖
sudo yum install -y yum-utils device-mapper-persistent-data lvm2

# 添加Docker仓库
sudo yum-config-manager --add-repo https://download.docker.com/linux/centos/docker-ce.repo

# 安装Docker引擎
sudo yum install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io

# 启动Docker服务
sudo systemctl start docker

# 设置Docker开机自启
sudo systemctl enable docker

# 验证Docker是否安装成功
sudo docker run hello-world

验证安装

安装完成后,可以通过运行以下命令来验证Docker是否正确安装:

bash 复制代码
# 查看Docker版本
docker --version

# 运行hello-world容器
docker run hello-world

如果一切正常,你应该能看到Docker版本信息和hello-world容器的欢迎消息。

Docker基本命令

掌握Docker的基本命令是入门的关键,下面我将介绍一些最常用的Docker命令。

镜像管理命令

bash 复制代码
# 搜索镜像
docker search nginx

# 拉取镜像
docker pull nginx:latest

# 列出本地镜像
docker images

# 删除镜像
docker rmi nginx:latest

# 构建镜像
docker build -t myapp:1.0 .

容器管理命令

bash 复制代码
# 创建并启动容器
docker run -d -p 80:80 --name webserver nginx

# 列出运行中的容器
docker ps

# 列出所有容器(包括已停止的)
docker ps -a

# 停止容器
docker stop webserver

# 启动容器
docker start webserver

# 重启容器
docker restart webserver

# 删除容器
docker rm webserver

# 查看容器日志
docker logs webserver

# 进入容器内部
docker exec -it webserver bash

这些命令的执行流程可以用下面的时序图来表示:
用户 Docker CLI Docker守护进程 Docker仓库 容器 docker pull nginx 请求拉取镜像 从仓库拉取镜像 返回镜像数据 拉取完成 显示结果 docker run nginx 请求创建并运行容器 创建容器 启动容器 容器运行状态 容器已启动 显示容器ID docker exec -it nginx bash 请求在容器中执行命令 在容器中执行bash 命令执行结果 返回交互式shell 提供容器内shell访问 docker stop nginx 请求停止容器 停止容器 容器已停止 停止成功 显示结果 用户 Docker CLI Docker守护进程 Docker仓库 容器

图2:Docker命令执行时序图 - 展示了用户、Docker CLI、守护进程和容器之间的交互过程

Dockerfile详解

Dockerfile是用来构建Docker镜像的文本文件,包含了一系列指令和参数,用于自动化地创建Docker镜像。

Dockerfile基本结构

一个典型的Dockerfile包含以下部分:

  1. 基础镜像(FROM)
  2. 维护者信息(MAINTAINER,已弃用,推荐使用LABEL)
  3. 镜像操作指令(RUN, COPY, ADD等)
  4. 容器启动指令(CMD, ENTRYPOINT)

Dockerfile常用指令

下面是一个简单的Dockerfile示例,用于构建一个基于Node.js的Web应用:

dockerfile 复制代码
# 使用官方Node.js镜像作为基础镜像
FROM node:14-alpine

# 设置工作目录
WORKDIR /app

# 复制package.json和package-lock.json
COPY package*.json ./

# 安装依赖
RUN npm install

# 复制应用代码
COPY . .

# 暴露端口
EXPOSE 3000

# 设置环境变量
ENV NODE_ENV=production

# 定义容器启动命令
CMD ["npm", "start"]

这个Dockerfile的执行流程如下:

  1. 从Docker Hub拉取node:14-alpine镜像
  2. 设置容器内的工作目录为/app
  3. 复制package.json和package-lock.json到工作目录
  4. 安装Node.js依赖
  5. 复制所有应用代码到工作目录
  6. 声明容器将监听3000端口
  7. 设置NODE_ENV环境变量为production
  8. 设置容器启动时执行的命令为npm start

构建和运行Docker镜像

使用上面的Dockerfile构建镜像并运行容器的命令如下:

bash 复制代码
# 构建镜像
docker build -t myapp:1.0 .

# 运行容器
docker run -d -p 3000:3000 --name myapp-container myapp:1.0

Docker Compose入门

Docker Compose是一个用于定义和运行多容器Docker应用的工具,使用YAML文件来配置应用的服务。

Docker Compose基本概念

Docker Compose通过一个docker-compose.yml文件定义多个相互关联的服务,使它们可以一起启动和关闭。这对于开发、测试和部署复杂的多容器应用非常有用。

docker-compose.yml文件示例

下面是一个简单的docker-compose.yml文件,定义了一个包含Web应用和数据库的应用:

yaml 复制代码
version: '3'
services:
  web:
    build: .
    ports:
      - "3000:3000"
    depends_on:
      - db
    environment:
      - DATABASE_URL=postgres://postgres:password@db:5432/mydb
    volumes:
      - ./:/app
      - /app/node_modules
    restart: always

  db:
    image: postgres:13
    ports:
      - "5432:5432"
    environment:
      - POSTGRES_USER=postgres
      - POSTGRES_PASSWORD=password
      - POSTGRES_DB=mydb
    volumes:
      - postgres_data:/var/lib/postgresql/data

volumes:
  postgres_data:

Docker Compose常用命令

bash 复制代码
# 启动所有服务
docker-compose up -d

# 查看服务状态
docker-compose ps

# 查看服务日志
docker-compose logs

# 停止所有服务
docker-compose down

# 重新构建服务
docker-compose build

Docker Compose的服务关系可以用下面的架构图来表示:
Docker Compose 应用 depends_on 持久化数据 Web服务
端口: 3000 数据库服务
PostgreSQL 数据卷
postgres_data

图3:Docker Compose架构图 - 展示了docker-compose.yml中定义的服务之间的关系

Docker实战:部署一个全栈博客系统

现在,让我们通过一个更复杂的实际例子来应用我们学到的知识,部署一个包含前端、后端API和数据库的完整博客系统。

项目架构概览

我们将构建一个包含以下组件的博客系统:

  • 前端:React应用,提供用户界面
  • 后端API:Node.js + Express,提供RESTful API
  • 数据库:MongoDB,存储博客数据
  • 反向代理:Nginx,负载均衡和静态文件服务

后端API服务

首先创建后端API服务的文件:

backend/package.json:

json 复制代码
{
  "name": "blog-api",
  "version": "1.0.0",
  "description": "Blog API with MongoDB",
  "main": "server.js",
  "scripts": {
    "start": "node server.js",
    "dev": "nodemon server.js"
  },
  "dependencies": {
    "express": "^4.18.2",
    "mongoose": "^7.0.3",
    "cors": "^2.8.5",
    "dotenv": "^16.0.3"
  }
}

backend/server.js:

javascript 复制代码
const express = require('express');
const mongoose = require('mongoose');
const cors = require('cors');
require('dotenv').config();

const app = express();
const PORT = process.env.PORT || 5000;

// 中间件
app.use(cors());
app.use(express.json());

// MongoDB连接
mongoose.connect(process.env.MONGODB_URI || 'mongodb://mongo:27017/blogdb', {
  useNewUrlParser: true,
  useUnifiedTopology: true,
});

// 博客文章模型
const PostSchema = new mongoose.Schema({
  title: { type: String, required: true },
  content: { type: String, required: true },
  author: { type: String, required: true },
  createdAt: { type: Date, default: Date.now }
});

const Post = mongoose.model('Post', PostSchema);

// API路由
app.get('/api/posts', async (req, res) => {
  try {
    const posts = await Post.find().sort({ createdAt: -1 });
    res.json(posts);
  } catch (error) {
    res.status(500).json({ message: error.message });
  }
});

app.post('/api/posts', async (req, res) => {
  try {
    const post = new Post(req.body);
    const savedPost = await post.save();
    res.status(201).json(savedPost);
  } catch (error) {
    res.status(400).json({ message: error.message });
  }
});

app.get('/api/posts/:id', async (req, res) => {
  try {
    const post = await Post.findById(req.params.id);
    if (!post) return res.status(404).json({ message: 'Post not found' });
    res.json(post);
  } catch (error) {
    res.status(500).json({ message: error.message });
  }
});

app.listen(PORT, () => {
  console.log(`Server running on port ${PORT}`);
});

backend/Dockerfile:

dockerfile 复制代码
FROM node:16-alpine
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm install
COPY . .
EXPOSE 5000
CMD ["npm", "start"]

前端React应用

frontend/package.json:

json 复制代码
{
  "name": "blog-frontend",
  "version": "1.0.0",
  "private": true,
  "dependencies": {
    "react": "^18.2.0",
    "react-dom": "^18.2.0",
    "axios": "^1.3.4",
    "react-scripts": "5.0.1"
  },
  "scripts": {
    "start": "react-scripts start",
    "build": "react-scripts build",
    "test": "react-scripts test",
    "eject": "react-scripts eject"
  },
  "browserslist": {
    "production": [">0.2%", "not dead", "not op_mini all"],
    "development": ["last 1 chrome version", "last 1 firefox version", "last 1 safari version"]
  }
}

frontend/src/App.js:

javascript 复制代码
import React, { useState, useEffect } from 'react';
import axios from 'axios';
import './App.css';

const API_URL = process.env.REACT_APP_API_URL || 'http://localhost:5000/api';

function App() {
  const [posts, setPosts] = useState([]);
  const [newPost, setNewPost] = useState({ title: '', content: '', author: '' });
  const [loading, setLoading] = useState(true);

  useEffect(() => {
    fetchPosts();
  }, []);

  const fetchPosts = async () => {
    try {
      const response = await axios.get(`${API_URL}/posts`);
      setPosts(response.data);
      setLoading(false);
    } catch (error) {
      console.error('Error fetching posts:', error);
      setLoading(false);
    }
  };

  const handleSubmit = async (e) => {
    e.preventDefault();
    try {
      await axios.post(`${API_URL}/posts`, newPost);
      setNewPost({ title: '', content: '', author: '' });
      fetchPosts();
    } catch (error) {
      console.error('Error creating post:', error);
    }
  };

  if (loading) return <div className="loading">Loading...</div>;

  return (
    <div className="App">
      <header className="App-header">
        <h1>🚀 Docker博客系统</h1>
      </header>
      
      <main className="container">
        <section className="create-post">
          <h2>创建新文章</h2>
          <form onSubmit={handleSubmit}>
            <input
              type="text"
              placeholder="文章标题"
              value={newPost.title}
              onChange={(e) => setNewPost({...newPost, title: e.target.value})}
              required
            />
            <input
              type="text"
              placeholder="作者"
              value={newPost.author}
              onChange={(e) => setNewPost({...newPost, author: e.target.value})}
              required
            />
            <textarea
              placeholder="文章内容"
              value={newPost.content}
              onChange={(e) => setNewPost({...newPost, content: e.target.value})}
              required
            />
            <button type="submit">发布文章</button>
          </form>
        </section>

        <section className="posts">
          <h2>最新文章</h2>
          {posts.length === 0 ? (
            <p>暂无文章,快来发布第一篇吧!</p>
          ) : (
            posts.map(post => (
              <article key={post._id} className="post">
                <h3>{post.title}</h3>
                <p className="meta">作者:{post.author} | 发布时间:{new Date(post.createdAt).toLocaleString()}</p>
                <p className="content">{post.content}</p>
              </article>
            ))
          )}
        </section>
      </main>
    </div>
  );
}

export default App;

frontend/Dockerfile:

dockerfile 复制代码
# 构建阶段
FROM node:16-alpine as build
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm install
COPY . .
RUN npm run build

# 生产阶段
FROM nginx:alpine
COPY --from=build /app/build /usr/share/nginx/html
COPY nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf
EXPOSE 80
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

Nginx配置

frontend/nginx.conf:

nginx 复制代码
events {
    worker_connections 1024;
}

http {
    include       /etc/nginx/mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    server {
        listen 80;
        server_name localhost;

        location / {
            root /usr/share/nginx/html;
            index index.html index.htm;
            try_files $uri $uri/ /index.html;
        }

        location /api/ {
            proxy_pass http://backend:5000/api/;
            proxy_set_header Host $host;
            proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
            proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        }
    }
}

Docker Compose配置

docker-compose.yml:

yaml 复制代码
version: '3.8'

services:
  # MongoDB数据库
  mongo:
    image: mongo:5.0
    container_name: blog-mongo
    restart: always
    ports:
      - "27017:27017"
    volumes:
      - mongo_data:/data/db
    environment:
      MONGO_INITDB_DATABASE: blogdb

  # 后端API服务
  backend:
    build: ./backend
    container_name: blog-backend
    restart: always
    ports:
      - "5000:5000"
    depends_on:
      - mongo
    environment:
      - MONGODB_URI=mongodb://mongo:27017/blogdb
      - PORT=5000
    volumes:
      - ./backend:/app
      - /app/node_modules

  # 前端React应用
  frontend:
    build: ./frontend
    container_name: blog-frontend
    restart: always
    ports:
      - "80:80"
    depends_on:
      - backend
    environment:
      - REACT_APP_API_URL=http://localhost/api

volumes:
  mongo_data:

networks:
  default:
    name: blog-network

部署和运行

创建项目目录结构并添加CSS样式:

frontend/src/App.css:

css 复制代码
.App {
  text-align: center;
  max-width: 1200px;
  margin: 0 auto;
  padding: 20px;
}

.App-header {
  background: linear-gradient(135deg, #667eea 0%, #764ba2 100%);
  padding: 40px;
  color: white;
  border-radius: 10px;
  margin-bottom: 30px;
}

.container {
  display: grid;
  grid-template-columns: 1fr 2fr;
  gap: 30px;
  align-items: start;
}

.create-post {
  background: #f8f9fa;
  padding: 25px;
  border-radius: 10px;
  box-shadow: 0 2px 10px rgba(0,0,0,0.1);
}

.create-post form {
  display: flex;
  flex-direction: column;
  gap: 15px;
}

.create-post input,
.create-post textarea {
  padding: 12px;
  border: 1px solid #ddd;
  border-radius: 5px;
  font-size: 16px;
}

.create-post textarea {
  min-height: 120px;
  resize: vertical;
}

.create-post button {
  background: #667eea;
  color: white;
  border: none;
  padding: 12px 24px;
  border-radius: 5px;
  cursor: pointer;
  font-size: 16px;
  transition: background 0.3s;
}

.create-post button:hover {
  background: #5a6fd8;
}

.posts {
  text-align: left;
}

.post {
  background: white;
  padding: 25px;
  margin-bottom: 20px;
  border-radius: 10px;
  box-shadow: 0 2px 10px rgba(0,0,0,0.1);
  border-left: 4px solid #667eea;
}

.post h3 {
  color: #333;
  margin-bottom: 10px;
}

.post .meta {
  color: #666;
  font-size: 14px;
  margin-bottom: 15px;
}

.post .content {
  line-height: 1.6;
  color: #444;
}

.loading {
  font-size: 18px;
  color: #667eea;
  margin: 50px 0;
}

@media (max-width: 768px) {
  .container {
    grid-template-columns: 1fr;
  }
}

启动完整应用

bash 复制代码
# 在项目根目录下运行
docker-compose up -d

# 查看服务状态
docker-compose ps

# 查看日志
docker-compose logs -f

现在你可以访问 http://localhost 来查看完整的博客系统!

应用特点

这个实战项目展示了:

  1. 多服务架构:前端、后端、数据库分离
  2. 数据持久化:MongoDB数据卷持久化
  3. 反向代理:Nginx处理静态文件和API代理
  4. 多阶段构建:前端使用多阶段构建优化镜像大小
  5. 服务依赖:合理配置服务启动顺序
  6. 环境变量:灵活的配置管理

Docker最佳实践

在使用Docker的过程中,遵循一些最佳实践可以帮助你更高效地使用Docker,并避免一些常见的陷阱。

镜像构建最佳实践

  1. 使用官方镜像作为基础:官方镜像通常更安全、更稳定,并且有良好的文档支持。
  2. 使用特定版本标签:避免使用latest标签,而是使用特定的版本标签,以确保构建的一致性。
  3. 最小化镜像大小:使用多阶段构建、Alpine基础镜像,并清理不必要的文件。
  4. 合理组织Dockerfile指令:将不经常变化的指令放在前面,经常变化的放在后面,以利用Docker的缓存机制。

容器运行最佳实践

  1. 一个容器一个关注点:每个容器应该只运行一个应用或进程。
  2. 使用卷进行持久化存储:对于需要持久化的数据,使用Docker卷而不是在容器内存储。
  3. 设置资源限制:为容器设置CPU和内存限制,防止单个容器消耗过多资源。
  4. 使用健康检查:在Dockerfile中添加HEALTHCHECK指令,或在docker-compose.yml中添加healthcheck配置。

安全最佳实践

  1. 使用非root用户运行容器:在Dockerfile中使用USER指令切换到非root用户。
  2. 扫描镜像中的漏洞:使用工具如Docker Scan、Clair或Trivy扫描镜像中的安全漏洞。
  3. 不要在镜像中存储敏感信息:使用环境变量、Docker secrets或配置管理工具来管理敏感信息。
  4. 保持基础镜像和依赖更新:定期更新基础镜像和应用依赖,以修复安全漏洞。

Docker生态系统

Docker的生态系统非常丰富,包括许多工具和平台,可以帮助你更好地使用Docker。

常用Docker工具

  1. Docker Compose:用于定义和运行多容器Docker应用。
  2. Docker Swarm:Docker的原生集群管理工具。
  3. Kubernetes:容器编排平台,可以管理跨多个主机的容器化应用。
  4. Portainer:Docker的可视化管理工具,提供了友好的Web界面。
  5. Docker Hub:Docker官方的镜像仓库,可以存储和分享Docker镜像。

Docker使用趋势

Docker的使用在各个行业都呈现出增长趋势,下面是一个简单的趋势图:
Docker发展历程 2013-2015
起步期
5%-25% 2016-2018
成长期
38%-58% 2019-2021
成熟期
65%-78% 2022-2023
普及期
83%-87% 开源发布
社区关注 企业采用
生态完善 云原生
标准化 行业标准
广泛应用

图4:Docker采用率增长图 - 展示了从2013年到2023年Docker的采用率增长趋势

容器化技术的未来

容器化技术的发展方向主要包括:

  1. 无服务器容器:如AWS Fargate、Azure Container Instances等,无需管理底层基础设施。
  2. WebAssembly:作为容器的替代方案,提供更轻量级的隔离环境。
  3. 边缘计算:将容器化应用部署到边缘设备上,如IoT设备。
  4. AI/ML工作负载:使用容器来标准化和简化AI/ML工作负载的部署。

Docker容器与虚拟机的对比:
Docker容器架构 虚拟机架构 物理硬件 宿主操作系统 Docker Engine Container A
App A + Libs Container B
App B + Libs Container C
App C + Libs 物理硬件 宿主操作系统 虚拟机监控器
Hypervisor Guest OS 1 Guest OS 2 Guest OS 3 App A App B App C

图5:Docker容器与虚拟机对比图 - 展示了容器化技术与传统虚拟化技术的架构差异

总结与展望

在这篇Docker入门教程中,我们从Docker的基本概念开始,介绍了Docker的安装配置、基本命令、Dockerfile的编写、Docker Compose的使用,以及一些最佳实践。通过这些内容,你应该已经对Docker有了一个全面的了解,并且能够开始在自己的项目中使用Docker。

作为一名刚刚开始在CSDN上分享技术内容的博主,我深知学习新技术的过程中会遇到各种挑战。在我学习Docker的过程中,也曾遇到过各种问题,比如镜像构建失败、容器无法启动、网络配置错误等。但正是这些问题和解决问题的过程,让我对Docker有了更深入的理解。

Docker作为一种容器化技术,已经成为现代软件开发和部署的标准工具之一。它不仅简化了开发环境的配置,还提高了应用部署的一致性和可靠性。随着微服务架构和云原生应用的普及,Docker的重要性将会越来越高。

在未来的文章中,我计划深入探讨Docker的高级主题,如Docker网络、Docker安全、多阶段构建、Docker与CI/CD的集成等。我也会分享一些实际项目中使用Docker的经验和教训,帮助大家更好地理解和应用Docker。

学习是一个持续的过程,技术也在不断发展。希望这篇文章能够帮助你迈出学习Docker的第一步,为你的技术之路增添一份助力。如果你有任何问题或建议,欢迎在评论区留言,我会尽力回答和改进。

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参考链接

  1. Docker官方文档
  2. Docker Hub
  3. Docker Compose文档
  4. Docker最佳实践指南
  5. Docker安全最佳实践

关键词标签

#Docker #容器化 #DevOps #微服务 #云原生