來玩玩 Docker 多階段建置與 distroless 吧

想像你剛剛寫完了你的專案，並且想要將它打包成一個漂亮的 Docker 映像檔。

你大費周章的寫了一個 Dockerfile，執行了 docker build 指令，過了 1 分鐘。當映像檔建置完成後，你發現這個映像檔超級大。就僅僅是一個簡單的 Node.js 程式，完整的容器映像檔竟然來到了快 1GB。

你可能會想問：「有沒有辦法減少映像檔的大小呢？」

古老的方法：單階段建置

在 Docker 首次推出時，建立一個 Docker 映像檔的唯一方式是用單一階段的建置。這是一個簡單且直接的方法。你只需寫一個簡單的 Dockerfile，然後跑跑指令把它 build 起來。

以下是一個打包 C++ 應用程式的單階段 Dockerfile 範例：

FROM debian:12

COPY . /app
RUN apt-get update && apt-get install -y build-essential && \
  gcc -o /app/donut /app/donut.c

ENTRYPOINT ["/app/donut"]

而 donut.c 是什麼呢？就是那個用 C 寫的，會轉圈圈的甜甜圈程式：

             i,j,k,x,y,o,N;
         main(){float z[1760],a
      #define R(t,x,y) f=x;x-=t*y\
   ;y+=t*f;f=(3-x*x-y*y)/2;x*=f;y*=f;
   =0,e=1,c=1,d=0,f,g,h,G,H,A,t,D;char
 b[1760];for(;;){memset(b,32,1760);g=0,
h=1;memset(z,0,7040);for(j=0;j<90;j++){
G=0,H=1;for(i=0;i<314;i++){A=h+2,D=1/(G*
A*a+g*e+5);t=G*A        *e-g*a;x=40+30*D
*(H*A*d-t*c);y=          12+15*D*(H*A*c+
t*d);o=x+80*y;N          =8*((g*a-G*h*e)
*d-G*h*a-g*e-H*h        *c);if(22>y&&y>
 0&&x>0&&80>x&&D>z[o]){z[o]=D;b[o]=(N>0
  ?N:0)[".,-~:;=!*#$@"];}R(.02,H,G);}R(
  .07,h,g);}for(k=0;1761>k;k++)putchar
   (k%80?b[k]:10);R(.04,e,a);R(.02,d,
     c);usleep(15000);printf('\n'+(
        " donut.c! \x1b[23A"));}}
           //3D-spinning-donut

參考 donut.c：limiteci/donut.c

那個 Dockerfile 看起來很簡單，對吧？在打包過程中，我們安裝了 build-essential 套件，這個套件包含了你在編譯 C 應用程式時所需要的幾乎所有編譯器與工具。然後複製原始碼到容器裡面，編譯它，並且執行了編譯後的二進位檔。

不過這裡好像出了點問題：/app/donut 這個已編譯的程式不需要任何來自 build-essential 的工具，這些工具只在編譯程式時需要。所以，我們在最終映像檔中包含了不必要的工具。

移除不必要的小工具

為了解決這個問題，我們需要在編譯過程後移除不必要的工具。底下是一個簡單的範例：

FROM debian:12

COPY . /app
RUN apt-get update && apt-get install -y build-essential && \
  gcc -o /app/donut /app/donut.c && \
  apt remove -y build-essential && apt autoremove -y && apt-get clean

ENTRYPOINT ["/app/donut"]

在上面的範例中，我們在編譯過程後移除了 build-essential 套件，並且清理了 apt 快取，來減少映像檔的大小。

用 Alpine Linux 作為基底映像檔

這裡有另一個選擇，就是使用 Alpine Linux 作為基底映像檔。Alpine Linux 當初就是設計成極度輕量與安全。它只有 5MB 的大小（加上 busybox），比 Debian 小很多。

你可以用下面使用 Alpine Linux 的 Dockerfile 來取代上面的 Debian Dockerfile：

FROM alpine:3

COPY . /app
RUN apk add --no-cache build-base && \
  gcc -o /app/donut /app/donut.c && \
  apk del build-base

ENTRYPOINT ["/app/donut"]

這裡的結果映像檔應該比 Debian 映像檔小很多，差不多是 5 倍的差距。

但是，這裡有個問題：Alpine Linux 使用 musl 作為標準 C 函式庫，這與大多數 Linux 發行版使用的 glibc 不同。這可能會導致一些 (通常不只一些) C/C++ 應用程式的相容性問題。

特別是如果你有一個來自不知道哪裡的的二進位檔，而且它又需要 glibc 才能執行，那麼祝你好運。嘻嘻

一個更好的方法：多階段建置

Docker 在 17.05 版本中引入了多階段建置。它允許你在多個階段中建置你的應用程式，並且將前面做出來的程式從一個階段丟到另一個階段。

我們可以這麼想：我們可以有一個大廚房，裡面擺滿了烹飪所需的工具和食材，而送給客戶的只是一個小盒子來盛裝食物。

以下是一個使用多階段建置的 Dockerfile 範例：

FROM debian:12 AS builder

RUN apt-get update && apt-get install -y build-essential

COPY . /app
RUN gcc -o /app/donut /app/donut.c

FROM debian:12

COPY --from=builder /app/donut /app/donut

ENTRYPOINT ["/app/donut"]

這個 Dockerfile 的作用是在第一階段建置應用程式，然後將編譯後的二進位檔複製到第二階段。第二階段是使用從乾淨的 debian:12 映想檔。這個 Dockerfile 建置出來的映像檔應該比不使用多階段的小，因為它不包含 build-essential 套件。

使用 distroless 映像檔

如果你有嘗試上面的範例，你可能會發現最終跑出來的映像檔還是很大。因為我們只移除了額外安裝的 build-essential，基底映像檔 (Debian 的那個) 的大小還是很大。

2017 年，Google 推出了 distroless 映像檔，這些映像檔只包含執行應用程式所需必要的工具。也因為只包含最少的工具，它沒有多餘的東西。比純淨還要純淨。

也因為 distroless 映像檔沒有套件管理器，你基本上不能在映像檔中安裝額外的套件。你只能從前一階段複製檔案到這個階段。這也是為什麼多階段建置對於 distroless 映像檔來說很重要。

要烹飪一個 distroless 映像檔，我們需要使用 debian:12 當作第一階段，先建置二進位檔，然後將二進位檔複製到 gcr.io/distroless/static-debian12 映像檔：

FROM debian:12 AS builder

RUN apt-get update && apt-get install -y build-essential

COPY . /app
RUN gcc -static -o /app/donut /app/donut.c

FROM gcr.io/distroless/static-debian12

COPY --from=builder /app/donut /app/donut

ENTRYPOINT ["/app/donut"]

注意一下，這裡我們在 gcc 後面加上了 -static，如果你不加上這個參數，二進位檔會是動態連結的，這樣就需要 glibc 才能執行。 (簡單來說，最終的映像檔會變大)

或是你可以使用有 glibc 的 gcr.io/distroless/base-debian12 映像檔

這個最終的映像檔應該比之前的 Debian 或 Alpine 映像檔小很多，因為它基本上只有一個 “donut” 的二進位檔而已。

最極致的解決方案

其實還有一個基底映像檔叫做 scratch。

哦，不是，我不是在講那隻叫做 Scratch 的橘色福瑞貓

scratch 其實是一個很特別的映像檔，老實說他其實只是一個特殊的名字，Docker 會把它視為一個 “建立一個新的空白檔案系統” 的指令。

畢竟是一個空白的檔案系統，它當然也沒有任何系統的函式庫等等的工具，這個讓它變得超級小及安全。

我們可以用這個簡單的範例來看看怎麼用 scratch 映像檔：

FROM debian:12 AS builder

RUN apt-get update && apt-get install -y build-essential

COPY . /app
RUN gcc -static -o /app/donut /app/donut.c

FROM scratch

COPY --from=builder /app/donut /app/donut

ENTRYPOINT ["/app/donut"]

使用 scratch 的映像檔必須為靜態連結的二進位檔案，你不能用動態連結的二進位檔，因為 scratch 裡面根本沒有東西可以動態連結到。

這個 Dockerfile 應該會跑出最小的 docker 映像檔，因為它裡面只有一個 donut 執行檔而已。

最終比較

基底映像檔	整體大小
Scratch	767kB
Distroless + 多階段建置	2.76MB
Alpine	7.4MB
Debian，使用多階段建置	117MB
Debian，單階段，移除 `build-essential`	140MB
Debian，單階段，不移除 `build-essential`	534MB

以上大小僅供參考，實際大小可能會有所不同。這些映像檔是在我的筆電上使用 Docker 28.0.1 建置的。

以上數據顯示，scratch 得到了最小的映像檔大小。distroless 排在第二，而 Alpine 則是第三。

雖然在這個比較中，Alpine 和 distroless 沒有跑出最小的映像檔，但考慮到它只有幾 MB 的大小，它仍然是一個不錯的選擇。

結論

所以你應該選擇什麼呢？Scratch 還是 distroless 還是 Alpine 還是 Debian？

我的建議是，如果你的程式不需要任何一般 Linux 系統會有的函式庫，請考慮使用 scratch。

而如果 Google 已經很好心的幫你做了一個包含你要使用的執行環境的 distroless base image，那麼請使用 distroless。目前，distroless 有 python3、java-{17, 21} 和 nodejs-{18, 20, 22}。這些映像檔包含了這些執行環境，而且應該是經過特別優化的。

在 distroless 的 GitHub 上面看看有什麼環境已經做好了

至於 Alpine，如果你的應用程式用了一些特別的執行環境，而且恰恰好做那個環境的人有提供已經建立好的 Alpine 映像檔，那麼請使用它。

至於 Debian 呢？除非你有一個非常特殊的使用情況，否則我建議不要使用它作為基底映像檔。