Linux overlay文件系统解析

一个 overlay 文件系统包含两个文件系统,一个 upper 文件系统和一个 lower 文件系统,是一种新型的联合文件系统。overlay是“覆盖…上面”的意思,overlay文件系统则表示一个文件系统覆盖在另一个文件系统上面。
为了更好的展示 overlay 文件系统的原理,现新构建一个overlay文件系统。文件树结构如下:

1、在一个支持 overlay文件系统的 Linux (内核3.18以上)的操作系统上一个同级目录内(如/root下)创建四个文件目录 lower 、upper 、merged 、work其中 lower 和 upper 文件夹的内容如上图所示,merged 和work 为空,same文件名相同,内容不同。

2、在/root目录下执行如下挂载命令,可以看到空的merged文件夹里已经包含了 lower 及 upper 文件夹中的所有文件及目录。
$mount -t overlay overlay -olowerdir=./lower,upperdir=./upper,workdir=./work ./merged
3、使用df –h 命令可以看到新构建的 overlay 文件系统已挂载。
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
overlay 20G 13G 7.8G 62% /root /merged

那么 lower 和 upper 目录里有相同的文件夹及相同的文件,合并到 merged 目录里时显示的是哪个呢?规则如下:
1. 文件名及目录不相同,则 lower 及 upper 目录中的文件及目录按原结构都融入到 merged 目录中;
2. 文件名相同,只显示 upper 层的文件。如上图在 lower 和 upper 目录下及下层目录 dir_A 下都有 same.txt 文件,但在合并到 merged 目录时,则只显示 upper 的,而 lower 的隐藏 ;
3. 目录名相同, 对目录进行合并成一个目录。如上图在 lower 及 upper 目录下都有 dir_A 目录,将目录及目录下的所有文件合并到 merged 的 dir_A 目录,目录内如有文件名相同,则同样只显示 upper 的,如上图中 dir_A 目录下的same.txt文件。

overlay只支持两层,upper文件系统通常是可写的;lower文件系统则是只读,这就表示着,当我们对 overlay 文件系统做任何的变更,都只会修改 upper 文件系统中的文件。那下面看一下overlay文件系统的读,写,删除操作。


¬ 读 upper 没有而 lower 有的文件时,需从 lower 读;
¬ 读只在 upper 有的文件时,则直接从 upper 读
¬ 读 lower 和 upper 都有的文件时,则直接从 upper 读。


¬ 对只在 upper 有的文件时,则直接在 upper 写
¬ 对在lower 和 upper 都有的文件时,则直接在 upper 写。
¬ 对只在 lower 有的文件写时,则会做一个copy_up 的操作,先从 lower将文件拷贝一份到upper,同时为文件创建一个硬链接。此时可以看到 upper 目录下生成了两个新文件,写的操作只对从lower 复制到 upper 的文件生效,而 lower 还是原文件。


¬ 删除 lower 和 upper 都有的文件时,upper 的会被删除,在 upper 目录下创建一个 ‘without’ 文件,而 lower 的不会被删除。
¬ 删除 lower 有而 upper 没有的文件时,会为被删除的文件在 upper 目录下创建一个 ‘without’ 文件,而 lower 的不会被删除。
¬ 删除 lower 和 upper 都有的目录时,upper 的会被删除,在 upper 目录下创建一个类似‘without’ 文件的 ‘opaque’ 目录,而 lower 的不会被删除。

可以看到,因为 lower 是只读,所以无论对 lower 上的文件和目录做任何的操作都不会对 lower 做变更。所有的操作都是对在 upper 做, 。

copy_up只在第一次写时对文件做copy_up操作,后面的操作都不再需要做copy_up,都只操作这个文件,特别适合大文件的场景。overlay的 copy_up操作要比AUFS相同的操作要快,因为AUFS有很多层,在穿过很多层时可能会有延迟,而overlay 只有两层。而且overlay在2014年并入linux kernel mailline ,但是aufs并没有被并入linux kernel mailline ,所以overlay 可能会比AUFS快。

lower文件系统可以为任何linux支持的文件系统,甚至可以为另一个overlayfs。因为虽然overlay文件系统的底层是由两个文件系统构成,但它本身只是一个文件系统,就如前面用df命令看到的,所以也可以和其他文件系统组成新的overlay文件系统。而upper是可写的,不支持NFS。多层 lower 可执行如下命令:
$mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower1:/lower2:/lower3 ,upperdir=./upper,workdir=./work ./merged
上例中,lower 是由三个文件系统合并成一个文件系统,其中lower1在最上面,lower3在最底下。
Docker一直在用AUFS(高级多层次统一文件系统)作为容器的文件系统。AUFS是一个能透明覆盖一或多个现有文件系统的层状文件系统。当一个进程需要修改一个文件时,AUFS创建该文件的一个副本。AUFS可以把多层合并成文件系统的单层表示。Docker 的image构采用的是AUFS,每个新版本都是一个与之前版本的简单差异改动,有效地保持镜像文件最小化。那docker 使用 overlay 之后有什么区别呢?
首先镜像在下载时每一层的镜像都有一个自己的镜像ID,每个镜像都会有自己的目录,保存在/var/lib/docker/overlay目录下,但是这些层目录的名字并不是下载镜像时的ID名称。我们都知道AUFS是多层,那如何体现为两层呢?启动一个容器后,也在这个目录下产生一个层目录,进入到目录可以看到有三个文件夹,分别是merged,upper,work,和一个文件lower-id,而在lower-id中保存的就是镜像最上层的ID,所以对容器来说,还是一个两层的文件系统。

这里说明一下,docker pull image时显示的镜像ID名称与/var/lib/docker/overlay目录下的镜像目录名称不一样。镜像目录中保存的是这层独有的文件和硬链接下层共享的文件。这样可以更有效的利用磁盘资源。
从上面这个图可以看到,overlay的两层对应的就是docker的镜像层(只读)和容器层(可写),只是把原来AUFS中的多层镜像合并成了lower层,而upper层代表的是容器层。

我们看到虽然overlay和AUFS都是联合文件系统,但结构比AUFS简单,且并入了linux kernel mainline,可能会比AUFS快,但还是太年轻,要谨慎在生产使用。而AUFS做为docker的第一个存储驱动,已经有很长的历史,比较的稳定,且在大量的生产中实践过,有较强的社区支持。

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