Docker 完整指南（一）：基礎概念與入門教學

🎯 前言

Docker 是當今最流行的容器化技術，徹底改變了應用程式的開發、部署和運行方式。本系列文章將從基礎到進階，完整介紹 Docker 的各個面向。

本系列文章規劃：

• 第一篇（本文）：Docker 基礎概念與入門
• 第二篇：Docker 指令與實務操作
• 第三篇：Docker 進階應用與最佳實踐

📚 什麼是 Docker？

Docker 是一個開源的容器化平台，讓開發者可以將應用程式及其所有依賴項打包成一個標準化的單元（容器），然後在任何環境中一致地運行。

核心價值

graph TB
    A[Docker 核心價值] --> B[環境一致性]
    A --> C[快速部署]
    A --> D[資源效率]
    A --> E[易於擴展]

    B --> B1[開發環境 = 測試環境 = 生產環境]
    C --> C1[秒級啟動<br/>快速回滾]
    D --> D1[共享 OS 核心<br/>輕量級]
    E --> E1[水平擴展<br/>微服務架構]

    style A fill:#4ecdc4
    style B fill:#a8e6cf
    style C fill:#ffd3b6
    style D fill:#ffaaa5
    style E fill:#ff8b94

Docker 解決的問題

🔄 虛擬化技術演進

傳統部署 vs 虛擬機 vs 容器

graph LR
    subgraph "傳統部署"
        A1[應用 A]
        A2[應用 B]
        A3[應用 C]
        OS1[作業系統]
        HW1[硬體]

        A1 --> OS1
        A2 --> OS1
        A3 --> OS1
        OS1 --> HW1
    end

    subgraph "虛擬機部署"
        B1[應用 A]
        B2[應用 B]
        B3[應用 C]
        G1[Guest OS]
        G2[Guest OS]
        G3[Guest OS]
        HV[Hypervisor]
        OS2[Host OS]
        HW2[硬體]

        B1 --> G1
        B2 --> G2
        B3 --> G3
        G1 --> HV
        G2 --> HV
        G3 --> HV
        HV --> OS2
        OS2 --> HW2
    end

    subgraph "容器部署"
        C1[應用 A]
        C2[應用 B]
        C3[應用 C]
        DE[Docker Engine]
        OS3[Host OS]
        HW3[硬體]

        C1 --> DE
        C2 --> DE
        C3 --> DE
        DE --> OS3
        OS3 --> HW3
    end

詳細比較表

虛擬機 vs Docker 詳細對比

graph TB
    subgraph "虛擬機架構"
        VM1[應用程式 + 函式庫<br/>約 5-10 GB]
        VM2[Guest OS<br/>約 10-20 GB]
        VM3[Hypervisor<br/>約 1-2 GB]
        VM4[Host OS]
        VM5[實體硬體]

        VM1 --> VM2
        VM2 --> VM3
        VM3 --> VM4
        VM4 --> VM5
    end

    subgraph "Docker 架構"
        DC1[應用程式 + 函式庫<br/>約 100-500 MB]
        DC2[Docker Engine]
        DC3[Host OS]
        DC4[實體硬體]

        DC1 --> DC2
        DC2 --> DC3
        DC3 --> DC4
    end

    style VM1 fill:#ff6b6b
    style VM2 fill:#ff8787
    style DC1 fill:#4ecdc4
    style DC2 fill:#45b7d1

關鍵差異說明：

1. 作業系統層級

   • VM：每個虛擬機都需要完整的 Guest OS
   • Docker：容器共享 Host OS 的核心

2. 啟動時間

   • VM：需要啟動完整作業系統（30-60 秒）
   • Docker：只需啟動應用程式進程（1-3 秒）

3. 資源使用

   • VM：需要預分配記憶體和 CPU
   • Docker：動態使用資源，更有效率

🏗️ Docker 核心架構

整體架構圖

graph TB
    subgraph "Docker 客戶端"
        CLI[Docker CLI]
        COMPOSE[Docker Compose]
        API[REST API]
    end

    subgraph "Docker 主機"
        DAEMON[Docker Daemon<br/>dockerd]

        subgraph "容器運行時"
            CONTAINERD[containerd]
            RUNC[runc]
        end

        subgraph "容器"
            C1[Container 1]
            C2[Container 2]
            C3[Container 3]
        end

        subgraph "映像"
            I1[Image 1]
            I2[Image 2]
            I3[Image 3]
        end

        subgraph "資料卷"
            V1[Volume 1]
            V2[Volume 2]
        end

        subgraph "網路"
            N1[Bridge Network]
            N2[Host Network]
            N3[Custom Network]
        end
    end

    subgraph "Docker Registry"
        REGISTRY[Docker Hub]
        PRIVATE[私有 Registry]
    end

    CLI --> DAEMON
    COMPOSE --> DAEMON
    API --> DAEMON

    DAEMON --> CONTAINERD
    CONTAINERD --> RUNC
    RUNC --> C1
    RUNC --> C2
    RUNC --> C3

    DAEMON --> I1
    DAEMON --> I2
    DAEMON --> I3

    C1 --> V1
    C2 --> V2

    C1 --> N1
    C2 --> N3
    C3 --> N1

    DAEMON <--> REGISTRY
    DAEMON <--> PRIVATE

    style DAEMON fill:#4ecdc4
    style CONTAINERD fill:#45b7d1
    style RUNC fill:#3aa6b9

核心元件說明

📦 Docker 核心概念

1. Docker Image（映像）

映像是什麼？

• 唯讀的模板，包含運行應用程式所需的所有內容
• 採用分層（Layer）架構
• 可以基於其他映像建立

graph TB
    subgraph "映像分層結構"
        L1[應用程式層<br/>app.py, requirements.txt]
        L2[Python 依賴層<br/>Flask, NumPy]
        L3[Python 執行環境層<br/>Python 3.9]
        L4[作業系統基礎層<br/>Ubuntu 20.04]
    end

    L1 --> L2
    L2 --> L3
    L3 --> L4

    style L1 fill:#ff6b6b
    style L2 fill:#feca57
    style L3 fill:#4ecdc4
    style L4 fill:#45b7d1

映像特性：

映像與容器的關係：

graph LR
    IMAGE[Docker Image<br/>映像<br/>唯讀模板]
    C1[Container 1<br/>容器實例]
    C2[Container 2<br/>容器實例]
    C3[Container 3<br/>容器實例]

    IMAGE -->|docker run| C1
    IMAGE -->|docker run| C2
    IMAGE -->|docker run| C3

    style IMAGE fill:#4ecdc4
    style C1 fill:#feca57
    style C2 fill:#feca57
    style C3 fill:#feca57

2. Docker Container（容器）

容器是什麼？

• 映像的運行實例
• 可以被啟動、停止、刪除
• 容器之間相互隔離
• 可以連接到網路、掛載儲存

容器生命週期：

stateDiagram-v2
    [*] --> Created: docker create
    Created --> Running: docker start
    Running --> Paused: docker pause
    Paused --> Running: docker unpause
    Running --> Stopped: docker stop
    Stopped --> Running: docker start
    Running --> Killed: docker kill
    Killed --> Removed: docker rm
    Stopped --> Removed: docker rm
    Removed --> [*]

    Running --> Restarting: docker restart
    Restarting --> Running

容器狀態說明表：

3. Docker Registry（映像倉庫）

Registry 是什麼？

• 儲存和分發 Docker 映像的服務
• 類似於 Git 的程式碼倉庫

graph TB
    DEV[開發人員]
    DOCKER[Docker Client]
    HUB[Docker Hub<br/>公開倉庫]
    PRIVATE[私有 Registry<br/>Harbor, ECR, ACR]
    PROD[生產環境]

    DEV -->|1. docker build| DOCKER
    DOCKER -->|2. docker push| HUB
    DOCKER -->|2. docker push| PRIVATE
    HUB -->|3. docker pull| PROD
    PRIVATE -->|3. docker pull| PROD

    style HUB fill:#4ecdc4
    style PRIVATE fill:#45b7d1

常見 Registry 服務：

🔧 Docker 安裝與配置

系統需求

Linux 系統要求：

macOS 系統要求：

• macOS 10.15 或更新版本
• 4GB RAM（最低），建議 8GB+
• VirtualBox 或 HyperKit

Windows 系統要求：

• Windows 10 64-bit Pro/Enterprise/Education
• 啟用 Hyper-V 和容器功能
• WSL 2（Windows Subsystem for Linux）

Ubuntu/Debian 安裝步驟

 1# 1. 更新套件索引
 2sudo apt-get update
 3
 4# 2. 安裝必要的套件
 5sudo apt-get install -y \
 6    apt-transport-https \
 7    ca-certificates \
 8    curl \
 9    gnupg \
10    lsb-release
11
12# 3. 加入 Docker 官方 GPG 金鑰
13curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | \
14    sudo gpg --dearmor -o /usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg
15
16# 4. 設定穩定版本的倉庫
17echo \
18  "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg] \
19  https://download.docker.com/linux/ubuntu \
20  $(lsb_release -cs) stable" | \
21  sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null
22
23# 5. 安裝 Docker Engine
24sudo apt-get update
25sudo apt-get install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io docker-compose-plugin
26
27# 6. 驗證安裝
28sudo docker --version
29sudo docker run hello-world

CentOS/RHEL 安裝步驟

 1# 1. 移除舊版本
 2sudo yum remove docker \
 3    docker-client \
 4    docker-client-latest \
 5    docker-common \
 6    docker-latest \
 7    docker-latest-logrotate \
 8    docker-logrotate \
 9    docker-engine
10
11# 2. 安裝 yum-utils
12sudo yum install -y yum-utils
13
14# 3. 設定穩定版本的倉庫
15sudo yum-config-manager \
16    --add-repo \
17    https://download.docker.com/linux/centos/docker-ce.repo
18
19# 4. 安裝 Docker Engine
20sudo yum install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io docker-compose-plugin
21
22# 5. 啟動 Docker
23sudo systemctl start docker
24sudo systemctl enable docker
25
26# 6. 驗證安裝
27sudo docker --version
28sudo docker run hello-world

macOS 安裝步驟

 1# 方法 1: 使用 Homebrew（推薦）
 2brew install --cask docker
 3
 4# 啟動 Docker Desktop
 5open /Applications/Docker.app
 6
 7# 方法 2: 直接下載安裝檔
 8# 前往 https://www.docker.com/products/docker-desktop
 9# 下載 Docker Desktop for Mac 並安裝
10
11# 驗證安裝
12docker --version
13docker run hello-world

Windows 安裝步驟

 1# 方法 1: 使用 Chocolatey
 2choco install docker-desktop
 3
 4# 方法 2: 直接下載安裝檔
 5# 前往 https://www.docker.com/products/docker-desktop
 6# 下載 Docker Desktop for Windows 並安裝
 7
 8# 啟用 WSL 2（如果尚未啟用）
 9wsl --install
10wsl --set-default-version 2
11
12# 驗證安裝
13docker --version
14docker run hello-world

配置非 root 使用者執行 Docker（Linux）

 1# 1. 建立 docker 群組（通常已存在）
 2sudo groupadd docker
 3
 4# 2. 將使用者加入 docker 群組
 5sudo usermod -aG docker $USER
 6
 7# 3. 登出並重新登入，或執行以下指令
 8newgrp docker
 9
10# 4. 驗證無需 sudo 即可執行 docker
11docker run hello-world

Docker 配置檔案

Linux 配置檔案位置： /etc/docker/daemon.json

 1{
 2  "registry-mirrors": [
 3    "https://docker.mirrors.ustc.edu.cn",
 4    "https://registry.docker-cn.com"
 5  ],
 6  "insecure-registries": [],
 7  "debug": false,
 8  "experimental": false,
 9  "log-driver": "json-file",
10  "log-opts": {
11    "max-size": "10m",
12    "max-file": "3"
13  },
14  "storage-driver": "overlay2",
15  "storage-opts": [
16    "overlay2.override_kernel_check=true"
17  ],
18  "default-address-pools": [
19    {
20      "base": "172.17.0.0/16",
21      "size": 24
22    }
23  ],
24  "dns": ["8.8.8.8", "8.8.4.4"],
25  "dns-search": [],
26  "default-runtime": "runc",
27  "live-restore": true,
28  "max-concurrent-downloads": 3,
29  "max-concurrent-uploads": 5
30}

配置選項說明：

重新載入配置：

1# Linux
2sudo systemctl daemon-reload
3sudo systemctl restart docker
4
5# macOS/Windows
6# 透過 Docker Desktop 介面重啟

🚀 第一個 Docker 容器

Hello World 範例

1# 執行第一個容器
2docker run hello-world

執行流程說明：

sequenceDiagram
    participant User as 使用者
    participant Client as Docker Client
    participant Daemon as Docker Daemon
    participant Registry as Docker Hub

    User->>Client: docker run hello-world
    Client->>Daemon: 請求運行 hello-world
    Daemon->>Daemon: 檢查本地映像
    alt 本地沒有映像
        Daemon->>Registry: 拉取 hello-world 映像
        Registry->>Daemon: 返回映像
    end
    Daemon->>Daemon: 建立容器
    Daemon->>Daemon: 啟動容器
    Daemon->>Client: 返回容器輸出
    Client->>User: 顯示結果

輸出說明：

Hello from Docker!
This message shows that your installation appears to be working correctly.

To generate this message, Docker took the following steps:
 1. The Docker client contacted the Docker daemon.
 2. The Docker daemon pulled the "hello-world" image from the Docker Hub.
 3. The Docker daemon created a new container from that image which runs the
    executable that produces the output you are currently reading.
 4. The Docker daemon streamed that output to the Docker client, which sent it
    to your terminal.

運行互動式容器

1# 運行 Ubuntu 容器並進入互動式 shell
2docker run -it ubuntu:20.04 bash
3
4# 在容器內執行指令
5root@container-id:/# cat /etc/os-release
6root@container-id:/# ls -la
7root@container-id:/# apt-get update
8root@container-id:/# exit

參數說明：

運行背景服務

 1# 運行 Nginx web 伺服器
 2docker run -d -p 8080:80 --name my-nginx nginx:latest
 3
 4# 查看運行中的容器
 5docker ps
 6
 7# 測試 Nginx
 8curl http://localhost:8080
 9
10# 查看容器日誌
11docker logs my-nginx
12
13# 停止容器
14docker stop my-nginx
15
16# 刪除容器
17docker rm my-nginx

參數說明：

📊 Docker 工作流程

典型開發流程

graph TB
    A[1. 編寫 Dockerfile] --> B[2. 建立映像<br/>docker build]
    B --> C[3. 測試映像<br/>docker run]
    C --> D{測試通過?}
    D -->|否| A
    D -->|是| E[4. 推送到 Registry<br/>docker push]
    E --> F[5. 部署到環境<br/>docker pull + run]
    F --> G[6. 監控與維護]
    G --> H{需要更新?}
    H -->|是| A
    H -->|否| G

    style A fill:#4ecdc4
    style B fill:#45b7d1
    style C fill:#feca57
    style E fill:#ff6b6b
    style F fill:#a8e6cf

從開發到生產的完整流程

sequenceDiagram
    participant Dev as 開發人員
    participant Git as Git Repository
    participant CI as CI/CD Pipeline
    participant Registry as Docker Registry
    participant Prod as 生產環境

    Dev->>Git: 1. 提交程式碼 + Dockerfile
    Git->>CI: 2. 觸發構建
    CI->>CI: 3. 執行測試
    CI->>CI: 4. docker build
    CI->>Registry: 5. docker push
    CI->>Prod: 6. 觸發部署
    Prod->>Registry: 7. docker pull
    Prod->>Prod: 8. docker run
    Prod->>Dev: 9. 部署完成通知

🎓 核心概念總結

重要觀念對照表

Docker 與傳統虛擬化對比

graph LR
    subgraph "傳統虛擬機"
        VM1[特點]
        VM2[完整作業系統]
        VM3[啟動時間：分鐘級]
        VM4[映像大小：GB 級]
        VM5[資源佔用：高]
        VM6[隔離性：強]

        VM1 --> VM2
        VM1 --> VM3
        VM1 --> VM4
        VM1 --> VM5
        VM1 --> VM6
    end

    subgraph "Docker 容器"
        DC1[特點]
        DC2[共享作業系統核心]
        DC3[啟動時間：秒級]
        DC4[映像大小：MB 級]
        DC5[資源佔用：低]
        DC6[隔離性：中-強]

        DC1 --> DC2
        DC1 --> DC3
        DC1 --> DC4
        DC1 --> DC5
        DC1 --> DC6
    end

    style VM1 fill:#ff6b6b
    style DC1 fill:#4ecdc4

Docker 優勢總結

🔍 常見問題解答

Q1: Docker 和虛擬機有什麼區別？

答： 主要區別在於虛擬化層級：

Q2: 容器是否會影響安全性？

答： 容器提供進程級隔離，安全性考量：

優勢：

• 隔離應用程式環境
• 最小權限原則
• 映像掃描可檢測漏洞

注意事項：

• 共享 OS 核心，理論上存在逃逸風險
• 需要正確配置權限和網路
• 使用官方或可信的映像
• 定期更新映像和主機系統

Q3: 所有應用都適合容器化嗎？

答： 大多數應用適合，但也有例外：

適合容器化：

• 無狀態應用
• 微服務架構
• Web 應用程式
• API 服務
• 批次處理工作

不太適合：

• 需要直接硬體存取（GPU 密集，特殊外設）
• 高度依賴 OS 底層功能
• 桌面 GUI 應用（可以但複雜）
• 需要持久化大量資料且效能敏感

Q4: Docker 映像太大怎麼辦？

答： 可以透過以下方式優化：

1. 使用更小的基礎映像（alpine）
2. 多階段建立（multi-stage build）
3. 清理不必要的檔案
4. 合併 RUN 指令減少層數
5. 使用 .dockerignore 排除檔案

Q5: 容器資料會遺失嗎？

答： 需要理解容器的特性：

預設行為：

• 容器刪除後，容器內的資料會遺失
• 容器重啟時，資料保留

持久化方案：

• 使用 Docker Volume（推薦）
• 使用 Bind Mount
• 掛載外部儲存（NFS, S3 等）

🎯 學習建議

學習路徑

graph TD
    A[第一階段：基礎概念] --> B[第二階段：基本操作]
    B --> C[第三階段：映像製作]
    C --> D[第四階段：網路與儲存]
    D --> E[第五階段：編排工具]
    E --> F[第六階段：生產實踐]

    A1[理解容器與虛擬化<br/>安裝 Docker<br/>運行簡單容器] --> A
    B1[掌握常用指令<br/>容器生命週期管理<br/>映像管理] --> B
    C1[編寫 Dockerfile<br/>建立自訂映像<br/>多階段建立] --> C
    D1[網路模式<br/>Volume 管理<br/>容器互聯] --> D
    E1[Docker Compose<br/>Kubernetes 基礎<br/>CI/CD 整合] --> E
    F1[監控與日誌<br/>安全最佳實踐<br/>效能調優] --> F

    style A fill:#4ecdc4
    style B fill:#45b7d1
    style C fill:#feca57

下一步學習方向

第二篇預告：Docker 指令與實務操作

• 完整的 Docker CLI 指令
• 容器操作詳解
• 映像管理技巧
• 實用範例演示
• 故障排除技巧

第三篇預告：Docker 進階應用

• Dockerfile 最佳實踐
• 多階段建立
• Docker Compose
• 網路進階配置
• 安全性與效能優化

📚 延伸閱讀資源

官方文件

• Docker 官方文件
• Docker Hub
• Docker 部落格

推薦學習資源

• Docker 官方教學課程
• Play with Docker（線上實驗環境）
• Docker 認證考試準備

社群資源

• Docker Community Forums
• Stack Overflow Docker 標籤
• GitHub Docker 官方倉庫

🎉 總結

本文介紹了 Docker 的基礎概念，包括：

核心要點

1. Docker 是什麼：輕量級容器化平台，實現應用程式與環境的打包
2. 核心概念：映像（Image）、容器（Container）、倉庫（Registry）
3. 架構組成：客戶端、守護進程、容器運行時
4. 安裝配置：多平台安裝方式與配置選項
5. 實際操作：第一個容器的運行與管理

關鍵優勢

• 環境一致性：開發、測試、生產環境完全一致
• 快速部署：秒級啟動，快速擴展
• 資源效率：輕量級，高密度部署
• 可移植性：一次建立，到處運行

後續內容

在接下來的系列文章中，我們將深入探討：

• Docker 指令的實務應用
• Dockerfile 的編寫技巧
• 網路與儲存的進階配置
• Docker Compose 多容器編排
• 生產環境的最佳實踐

Docker 容器化技術正在改變軟體開發和部署的方式，掌握 Docker 將為您的技術棧增添強大的工具。讓我們在下一篇文章中繼續深入學習 Docker 的實務操作！