overlay文件系统解析

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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
¬ 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。

写
¬ 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
¬ 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。