Docker - Multi-Arch Image
Created by : Mr Dk.
2022 / 05 / 15 16:15
Hangzhou, Zhejiang, China
Background
近日，由于工作上的需要，要把软件打包构建到 Docker 镜像中，并且该 Docker 镜像还要支持 多种 CPU 架构。其实之前已经或多或少使用过多架构的镜像了。记得有一次在一台 x86 CPU 的机器上构建了一个镜像并 push 到 DockerHub 上以后，在 Apple M1 的 MacBook 上 docker pull 时看到了警告：
The requested image's platform (linux/amd64) does not match the detected host platform (linux/arm64) and nospecific platform was requested.
所以，一个镜像如果想在特定 CPU 架构上运行，就要为这个 CPU 架构打一个独立的镜像。为每个 CPU 架构上的镜像打一个 tag 可以解决问题，但是不够优雅。因为 tag 一般来说用来区分镜像内软件的版本，而不是用来区分镜像的运行平台。Docker 已经将镜像的运行平台维护在 manifest 中。以 DockerHub 上的 Ubuntu 官方镜像为例：
Tag 的作用是标识镜像 Ubuntu 的 22.04 / 20.04 / 18.04 ... 等版本，但每个 tag 上有多个 OS/ARCH。可以看到，Ubuntu 支持在 amd64、armv7、arm64(v8)、ppc64le、riscv64、s390x 架构的 Linux 上运行。
那么，如果我也想打一个 multi-arch 的镜像怎么办呢？只能在相应 CPU 架构的机器上才可以构建镜像吗？
Buildx
并不是。在一台机器上，使用 Docker BuildX 插件，以与 docker build 类似的方式，就可以构建出多架构镜像。Docker BuildX 使用 QEMU 在一台机器上模拟运行另一个 CPU 架构的指令，从而实现在一台机器上构建多个 CPU 架构的镜像。
所以第一步肯定是安装 Docker BuildX。搞定之后，看看目前支持的 CPU 架构有哪些：
$ docker buildx inspect --bootstrap
Name: default
Driver: docker
Nodes:
Name: default
Endpoint: default
Status: running
Platforms: linux/amd64, linux/386
可以看到，目前支持的只有 32/64 位的 x86 CPU。很正常，因为这台机器目前就安装着 Intel 的芯片。那么如何做到使用 QEMU 模拟其它 CPU 架构的指令呢？根据 Docker BuildX 的文档，看起来需要向当前机器的 binfmt_misc（此处有点眼熟 🤭 爷青回）接口挂载其它 CPU 架构的二进制文件处理函数。处理函数内估计封装了 emulate 其它 CPU 指令的逻辑。使用文档内提供的一行命令，安装所有可以支持的 binfmt：
$ docker run --privileged --rm tonistiigi/binfmt --install all
Unable to find image 'tonistiigi/binfmt:latest' locally
latest: Pulling from tonistiigi/binfmt
2b4d0e08bd75: Pull complete
c331be51c382: Pull complete
Digest: sha256:5bf63a53ad6222538112b5ced0f1afb8509132773ea6dd3991a197464962854e
Status: Downloaded newer image for tonistiigi/binfmt:latest
installing: ppc64le OK
installing: riscv64 OK
installing: mips64le OK
installing: arm64 OK
installing: arm OK
installing: s390x OK
installing: mips64 OK
{
"supported": [
"linux/amd64",
"linux/arm64",
"linux/riscv64",
"linux/ppc64le",
"linux/s390x",
"linux/386",
"linux/mips64le",
"linux/mips64",
"linux/arm/v7",
"linux/arm/v6"
],
"emulators": [
"qemu-aarch64",
"qemu-arm",
"qemu-mips64",
"qemu-mips64el",
"qemu-ppc64le",
"qemu-riscv64",
"qemu-s390x"
]
}
再次查看 BuildX，可以看到 Platforms 中多出了很多 CPU 架构：
$ docker buildx inspect --bootstrap
Name: default
Driver: docker
Nodes:
Name: default
Endpoint: default
Status: running
Platforms: linux/amd64, linux/386, linux/arm64, linux/riscv64, linux/ppc64le, linux/s390x, linux/arm/v7, linux/arm/v6
准备完毕，接下来就可以开始构建了。docker buildx build 命令与 docker build 有一些细微的差别。首先需要创建一个 builder：
$ docker buildx create --name multibuilder
$ docker buildx use multibuilder
然后使用这个 builder 进行构建：
$ docker buildx build \
--push \
--platform linux/amd64,linux/arm64 \
--tag xxx/xxx:latest \
--file Dockerfile .
经过体验，native 指令集（对我的机器而言是 amd64）的镜像构建速度最快，远快于 QEMU 对其它指令集的模拟。但是这种方法只需要一台机器就可以构建能够运行于所有 CPU 平台上的镜像了。
如何使 Dockerfile 与 ARCH 无关
对于不同 arch 上的镜像构建，我们通常会使用 multi-arch 的基础镜像，这没什么问题。这样使用同一份 Dockerfile 就可以构建我们自己的 multi-arch 镜像。但有时，同一个软件包在不同 arch 上的版本不同，使不得不在 Dockerfile 的层面上去加以区别。如何避免为不同的 arch 写两份 Dockerfile 呢？
使用镜像构建时自动传入的预定义 ARG 来判断构建的目标平台，然后使用 shell 的语法来对不同的平台执行不同的 RUN 指令。
镜像构建时将会预定义如下的 ARG：
TARGETPLATFORM：linux/amd64/linux/arm/v7等TARGETOS：linux/windows等TARGETARCH：amd64/arm64等
在 Dockerfile 中使用 shell 语法判断这些 ARG：
RUN if [ "$TARGETARCH" = "amd64" ]; then \
OCI_ARCH=x86_64; \
OCI_VERSION=19.14; \
elif [ "$TARGETARCH" = "arm64" ]; then \
OCI_ARCH=aarch64; \
OCI_VERSION=19.10; \
else \
OCI_ARCH=x86_64; \
OCI_VERSION=19.14; \
fi && \
wget --no-verbose \
https://xxx/${OCI_ARCH}/${OCI_VERSION}-basic-${OCI_VERSION}.${OCI_ARCH}.rpm
References
Preparation toward running Docker on ARM Mac: Building multi-arch images with Docker BuildX
Getting started with Docker for Arm on Linux
Automatic platform ARGs in the global scope
Faster Multi-Platform Builds: Dockerfile Cross-Compilation Guide