Введение в контейнеризацию

Контейнеры изменили способ развёртывания приложений. Узнайте, как они работают и почему стали стандартом индустрии.

#Что такое контейнеризация?

Контейнеризация — это технология упаковки приложения вместе со всеми его зависимостями (библиотеками, конфигурационными файлами, переменными окружения) в изолированную среду выполнения — контейнер.

Контейнер запускается как обычный процесс в операционной системе, но имеет собственное изолированное пространство:

Файловую систему
Сеть
Процессы
Переменные окружения

#Контейнеры vs Виртуальные машины

Это первый вопрос, который возникает у новичков. Давайте разберёмся.

#Виртуальные машины (VM)

Виртуальные машины используют гипервизор (VirtualBox, VMware, Hyper-V) для эмуляции полноценного компьютера. Каждая VM включает:

Полную гостевую операционную систему
Виртуализированное железо
Приложение и зависимости

ASCII Diagram

Преимущества VM:

Полная изоляция
Можно запускать разные ОС (Linux, Windows)
Зрелая технология

Недостатки VM:

Большой размер (гигабайты на образ)
Долгий запуск (минуты)
Высокие накладные расходы на ресурсы

#Контейнеры

Контейнеры используют ядро хостовой ОС напрямую. Они включают:

Приложение
Зависимости
Минимальный набор системных утилит

ASCII Diagram

Преимущества контейнеров:

Малый размер (мегабайты)
Быстрый запуск (секунды)
Минимальные накладные расходы
Переносимость («работает на моей машине» → «работает везде»)

Недостатки контейнеров:

Меньшая изоляция (общее ядро)
Только одна ОС (нельзя запустить Windows-контейнер на Linux)

#Сравнительная таблица

Характеристика	Виртуальные машины	Контейнеры
Размер	ГБ	МБ
Запуск	Минуты	Секунды
Изоляция	Полная	Процессная
Производительность	Ниже	Выше
Разные ОС	Да	Нет

#Архитектура Docker

Docker — самая популярная платформа для работы с контейнерами. Разберём её компоненты.

#Docker Engine

Docker Engine — это клиент-серверное приложение, состоящее из:

Docker Daemon (dockerd) — фоновый процесс, который управляет образами, контейнерами, сетями и хранилищами.
REST API — интерфейс для взаимодействия с демоном.
Docker CLI — командная строка (docker), которую используют люди.

ASCII Diagram

#Основные команды для начала работы

Проверьте установку Docker:

docker --version
# Docker version 24.0.7, build afdd53b

docker run hello-world
# Загружает тестовый образ и запускает контейнер

#Ключевые концепции

#Образ (Image)

Образ — это неизменяемый шаблон для создания контейнеров. Можно сравнить с классом в ООП.

# Загрузить образ из реестра
docker pull nginx:latest

# Посмотреть локальные образы
docker images

#Контейнер (Container)

Контейнер — это запущенный экземпляр образа. Аналогия: объект — экземпляр класса.

# Запустить контейнер
docker run -d --name my-nginx -p 8080:80 nginx

# Посмотреть запущенные контейнеры
docker ps

# Остановить контейнер
docker stop my-nginx

#Реестр (Registry)

Реестр — хранилище образов. Docker Hub — публичный реестр по умолчанию.

# Поиск образов
docker search python

# Загрузка из реестра
docker pull python:3.11-slim

#Как работают контейнеры: под капотом

Контейнеры используют возможности ядра Linux:

#Namespaces

Namespaces обеспечивают изоляцию ресурсов:

PID — изоляция процессов
NET — изоляция сети (интерфейсы, порты)
MNT — изоляция файловой системы
UTS — изоляция имени хоста
IPC — изоляция межпроцессного взаимодействия
USER — изоляция пользователей

Каждый контейнер работает в своём namespace и «не видит» процессы других контейнеров.

#Control Groups (cgroups)

Cgroups ограничивают использование ресурсов:

CPU (процессорное время)
Memory (оперативная память)
I/O (дисковые операции)
Network (сетевой трафик)

# Запуск с ограничением ресурсов
docker run --memory=512m --cpus=1.5 nginx

#Union File System

Union FS позволяет создавать слоистые файловые системы. Каждый образ состоит из слоёв:

ASCII Diagram

При изменении файла в контейнере он копируется в верхний слой (Copy-on-Write).

#Практика: первый контейнер

#Запуск веб-сервера

# Запустить nginx в фоновом режиме
docker run -d \
  --name web-server \
  -p 8080:80 \
  nginx:latest

# Проверить, что работает
curl http://localhost:8080

# Посмотреть логи
docker logs web-server

# Остановить
docker stop web-server

# Удалить
docker rm web-server

#Интерактивный контейнер

# Запустить Ubuntu с интерактивной оболочкой
docker run -it ubuntu:22.04 bash

# Внутри контейнера:
root@abc123:/# apt update
root@abc123:/# exit

Флаги:

-i — интерактивный режим (stdin)
-t — выделение TTY
-d — detached mode (фон)

#Жизненный цикл контейнера

Created → Running → Paused → Running → Stopped → Removed

Основные команды управления:

# Создание (без запуска)
docker create --name my-container nginx

# Запуск
docker start my-container

# Остановка (грациозная)
docker stop my-container

# Принудительная остановка
docker kill my-container

# Перезапуск
docker restart my-container

# Пауза
docker pause my-container

# Возобновление
docker unpause my-container

# Удаление
docker rm my-container

#Когда использовать контейнеры?

#Идеальные сценарии

✅ Микросервисная архитектура — каждый сервис в своём контейнере

✅ CI/CD — одинаковая среда на всех этапах пайплайна

✅ Быстрое масштабирование — запуск сотен экземпляров за секунды

✅ Разработка — изоляция зависимостей разных проектов

✅ Cloud-native приложения — контейнеры — стандарт для облаков

#Когда контейнеры не подходят

❌ Требование полной изоляции — используйте VM

❌ Разные операционные системы — нужно ядро Linux

❌ Монолитные legacy-приложения — может быть проще оставить как есть

❌ Приложения с интенсивным I/O — накладные расходы могут быть заметны

#🧪 Лабораторные работы

#Lab 1.1: Запуск первого контейнера

Цель: Научиться запускать и останавливать контейнеры.

Задание:

Запустите контейнер с nginx в фоновом режиме
Проверьте, что он работает
Откройте браузер и перейдите по адресу http://localhost:8080
Остановите и удалите контейнер

# Запуск
docker run -d --name my-nginx -p 8080:80 nginx:latest

# Проверка
docker ps
docker logs my-nginx

# Проверка в браузере или через curl
curl http://localhost:8080

# Остановка и удаление
docker stop my-nginx
docker rm my-nginx

Ожидаемый результат: Вы видите приветственную страницу nginx.

#Lab 1.2: Интерактивный контейнер

Цель: Научиться работать с интерактивными контейнерами.

Задание:

Запустите контейнер Ubuntu в интерактивном режиме
Установите пакет curl внутри контейнера
Проверьте доступность внешнего ресурса
Выйдите из контейнера

# Запуск интерактивного контейнера
docker run -it ubuntu:22.04 bash

# Внутри контейнера:
apt update
apt install -y curl
curl https://example.com
exit

Ожидаемый результат: Вы успешно установили пакет и проверили доступ к интернету.

#Lab 1.3: Ограничение ресурсов

Цель: Научиться ограничивать ресурсы контейнера.

Задание:

Запустите контейнер с ограничением памяти 256 МБ
Запустите стресс-тест внутри контейнера
Проверьте, что контейнер был убит при превышении лимита

# Запуск с ограничением памяти
docker run -d --name limited --memory=256m --cpus=0.5 nginx

# Проверка использования ресурсов
docker stats limited

# Попытка потребить много памяти (внутри контейнера)
docker exec -it limited bash
# Внутри: apt update && apt install -y stress-ng
# stress-ng --vm 2 --vm-bytes 200M --timeout 10s

# Проверка логов
docker logs limited
docker inspect limited --format='{{.State.OOMKilled}}'

Ожидаемый результат: Контейнер был остановлен OOM killer при превышении лимита памяти.

#Lab 1.4: Исследование namespaces

Цель: Понять изоляцию процессов в контейнерах.

Задание:

Запустите контейнер и посмотрите список процессов внутри
Сравните с процессами на хосте
Обратите внимание, что PID 1 внутри контейнера — это не PID 1 на хосте

# Запуск контейнера
docker run -d --name pid-test alpine sleep 1000

# Процессы внутри контейнера
docker exec pid-test ps aux

# Процессы на хосте (сравните PID)
docker top pid-test

# Проверка namespace
docker inspect pid-test --format='{{.State.Pid}}'
# Используйте PID из вывода для проверки namespace на хосте

Ожидаемый результат: Вы увидите, что процессы внутри контейнера изолированы и имеют свои PID.

#Lab 1.5: Copy-on-Write на практике

Цель: Понять, как работает слоистая файловая система.

Задание:

Создайте файл внутри контейнера
Удалите контейнер и создайте новый из того же образа
Убедитесь, что файл не сохранился

# Запуск и создание файла
docker run -it --name cow-test alpine sh
echo "Hello from container" > /tmp/test.txt
cat /tmp/test.txt
exit

# Проверка, что файл был только в этом контейнере
docker run -it --name cow-test-2 alpine sh
cat /tmp/test.txt  # Файл не существует!
exit

# Очистка
docker rm cow-test cow-test-2

Ожидаемый результат: Файл существовал только в первом контейнере, так как записываемый слой уникален для каждого контейнера.

#Чеклист выполнения лабораторных

Lab 1.1: Контейнер запущен, nginx доступен по порту 8080
Lab 1.2: Установлен curl, выполнен запрос к external ресурсу
Lab 1.3: Контейнер остановлен с OOMKilled=true
Lab 1.4: Поняли разницу между PID внутри и снаружи контейнера
Lab 1.5: Файл не сохранился после пересоздания контейнера

Характеристика

Виртуальные машины

Контейнеры

Размер

ГБ

МБ

Запуск

Минуты

Секунды

Изоляция

Полная

Процессная

Производительность

Ниже

Выше

Разные ОС

Да

Нет