使用 buildx 构建多平台 Docker 镜像

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在工作和生活中，我们可能经常需要将某个程序跑在不同的 CPU 架构上，比如让某些不可描述的软件运行在树莓派或嵌入式路由器设备上。特别是 Docker 席卷全球之后，我们可以轻松地在 ARM 设备上通过容器部署各种好玩的应用，而不用在意各种系统的差异性。

但是想要跨平台构建 Docker 镜像可不是一件轻松的活，要么到不同 CPU 架构的系统上全部构建一遍，要么就得在当前系统上通过虚拟化技术模拟不同的 CPU 架构，最后可能还要想办法合并镜像，费力不讨好。

不过值得庆幸的是，Docker 19.03 引入了一个新的实验性插件，该插件使得跨平台构建 Docker 镜像比以往更加容易了。在介绍这个新特性之前，我们先来了解一下跨 CPU 架构构建程序的基础知识。

1. 跨 CPU 架构编译程序的方法

先来快速回顾一下当前跨 CPU 架构编译程序的不同方法。

方法一：直接在目标硬件上编译

如果你能够访问目标 CPU 架构的系统，并且该操作系统支持运行构建所需的各种工具，那么你可以直接在目标系统上编译程序。

以构建 Docker 镜像为例，你可以在树莓派上安装 Docker，然后在树莓派上通过 Dockerfile 直接构建 arm 平台的镜像。

如果无法访问目标 CPU 架构的系统该怎么办？有没有办法通过某种方式直接在当前系统上构建目标 CPU 架构的程序？请看下文...

方法二：模拟目标硬件

还记得我们小时候在各种网吧台球室之类的场合玩的街机游戏吗？放张图给你们回忆一下：

如果现在我们想重新体验以前玩过的街机游戏该怎么办？这时候就需要用到模拟器（Emulator）了。借助模拟器，我们可以让时光倒流，体验经典游戏的乐趣。

模拟器除了可以用来玩游戏之外，还可以用来跨 CPU 架构构建程序。最常用的模拟器是开源的 QEMU，QEMU 支持许多常见的 CPU 架构，包括 ARM、Power-PC 和 RISC-V 等。通过模拟一个完整的操作系统，可以创建通用的 ARM 虚拟机，该虚拟机可以引导 Linux，设置开发环境，也可以在虚拟机内编译程序。

然而，模拟整个操作系统还是有点浪费，因为在这种模式下，QEMU 将会模拟整个系统，包括计时器、内存控制器、总线控制器等硬件。但编译程序根本不需要关心这些，还可以再精简些。

方法三：通过 binfmt_misc 模拟目标硬件的用户空间

在 Linux 上，QEMU 除了可以模拟完整的操作系统之外，还有另外一种模式叫用户态模式（User mod）。该模式下 QEMU 将通过 binfmt_misc 在 Linux 内核中注册一个二进制转换处理程序，并在程序运行时动态翻译二进制文件，根据需要将系统调用从目标 CPU 架构转换为当前系统的 CPU 架构。最终的效果看起来就像在本地运行目标 CPU 架构的二进制文件。

通过 QEMU 的用户态模式，我们可以创建轻量级的虚拟机（chroot 或容器），然后在虚拟机系统中编译程序，和本地编译一样简单轻松。后面我们就会看到，跨平台构建 Docker 镜像用的就是这个方法。

方法四：使用交叉编译器

最后介绍一种嵌入式系统社区常用的方法：交叉编译（cross-compilation）。

交叉编译器是专门为在给定的系统平台上运行而设计的编译器，但是可以编译出另一个系统平台的可执行文件。例如，amd64 架构的 Linux 系统上的 C++ 交叉编译器可以编译出运行在 aarch64(64-bit ARM) 架构的嵌入式设备上的可执行文件。再举个真实的例子，安卓设备的 APP 基本上都是通过这种方法来编译的。

从性能角度来看，该方法与方法一没什么区别，因为不需要模拟器的参与，几乎没有性能损耗。但交叉编译不具有通用性，它的复杂度取决于程序使用的语言，如果使用 Golang 的话，那就超级容易了。

在全民容器时代，我们讨论构建时不仅包括构建单个可执行文件，还包括构建容器镜像。而且构建容器镜像比上面说的方法更复杂，再加上 Docker 本身的复杂性，这几乎是一个老大难的问题。

但引入了新的实验性插件之后，构建多平台架构的 Docker 镜像就比以前容易多了，至于这个插件到底是啥，下文会详细介绍。

2. 构建多平台 Docker 镜像

利用 Docker 19.03 引入的插件 buildx，可以很轻松地构建多平台 Docker 镜像。buildx 是 docker build ... 命令的下一代替代品，它利用 BuildKit 的全部功能扩展了 docker build 的功能。

下面就来演示一下如何在短短几分钟内使用 buildx 构建出不同平台的 Docker 镜像。步骤如下：

启用 buildx 插件

要想使用 buildx，首先要确保 Docker 版本不低于 19.03，同时还要通过设置环境变量 DOCKER_CLI_EXPERIMENTAL 来启用。可以通过下面的命令来为当前终端启用 buildx 插件：