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