容器如何工作：OverlayFS

今天早上，我为未来潜在容器杂志画了一幅 OverlayFS 的漫画，我对这个主题感到兴奋，想写一篇关于它的博客来提供更多详细信息。

容器镜像很大

容器镜像可能会很大（尽管有些很小，例如 alpine linux 才 2.5MB）。Ubuntu 16.04 约为 27 MB，Anaconda Python 发行版为 800MB 至 1.5GB。

你以镜像启动的每个容器都是原始空白状态，仿佛它只是为使用容器而复制的一份镜像拷贝一样。但是对于大的容器镜像，像 800MB 的 Anaconda 镜像，复制一份拷贝既浪费磁盘空间也很慢。因此 Docker 不会复制，而是采用叠加。

叠加如何工作

OverlayFS，也被称为 联合文件系统或 联合挂载，它可让你使用 2 个目录挂载文件系统：“下层”目录和“上层”目录。

基本上：

• 文件系统的下层目录是只读的
• 文件系统的上层目录可以读写

当进程“读取”文件时，OverlayFS 文件系统驱动将在上层目录中查找并从该目录中读取文件（如果存在）。否则，它将在下层目录中查找。

当进程“写入”文件时，OverlayFS 会将其写入上层目录。

让我们使用 mount 制造一个叠加层！

这有点抽象，所以让我们制作一个 OverlayFS 并尝试一下！这将只包含一些文件：我将创建上、下层目录，以及用来挂载合并的文件系统的 merged 目录：

$ mkdir upper lower merged work
$ echo "I'm from lower!" > lower/in_lower.txt
$ echo "I'm from upper!" > upper/in_upper.txt
$ # `in_both` is in both directories
$ echo "I'm from lower!" > lower/in_both.txt
$ echo "I'm from upper!" > upper/in_both.txt

合并上层目录和下层目录非常容易：我们可以通过 mount 来完成！

$ sudo mount -t overlay overlay
    -o lowerdir=/home/bork/test/lower,upperdir=/home/bork/test/upper,workdir=/home/bork/test/work
    /home/bork/test/merged

在执行此操作时，我不断收到一条非常烦人的错误消息，内容为：mount: /home/bork/test/merged: special device overlay does not exist.。这条消息是错误的，实际上只是意味着我指定的一个目录缺失（我写成了 ~/test/merged，但它没有被展开）。

让我们尝试从 OverlayFS 中读取其中一个文件！文件 in_both.txt 同时存在于 lower/ 和 upper/ 中，因此应从 upper/ 目录中读取该文件。

$ cat merged/in_both.txt
"I'm from upper!

可以成功！

目录的内容就是我们所期望的：

find lower/ upper/ merged/
lower/
lower/in_lower.txt
lower/in_both.txt
upper/
upper/in_upper.txt
upper/in_both.txt
merged/
merged/in_lower.txt
merged/in_both.txt
merged/in_upper.txt

创建新文件时会发生什么？

$ echo 'new file' > merged/new_file
$ ls -l */new_file
-rw-r--r-- 1 bork bork 9 Nov 18 14:24 merged/new_file
-rw-r--r-- 1 bork bork 9 Nov 18 14:24 upper/new_file

这是有作用的，新文件会在 upper 目录创建。

删除文件时会发生什么？

读写似乎很简单。但是删除会发生什么？开始试试！

$ rm merged/in_both.txt

发生了什么？让我们用 ls 看下：

ls -l upper/in_both.txt  lower/lower1.txt  merged/lower1.txt
ls: cannot access 'merged/in_both.txt': No such file or directory
-rw-r--r-- 1 bork bork    6 Nov 18 14:09 lower/in_both.txt
c--------- 1 root root 0, 0 Nov 18 14:19 upper/in_both.txt

所以：

• in_both.txt 仍在 lower 目录中，并且保持不变
• 它不在 merged 目录中。到目前为止，这就是我们所期望的。
• 但是在 upper 中发生的事情有点奇怪：有一个名为 upper/in_both.txt 的文件，但是它是字符设备？我想这就是 overlayfs 驱动表示删除的文件的方式。

如果我们尝试复制这个奇怪的字符设备文件，会发生什么？

$ sudo cp upper/in_both.txt upper/in_lower.txt
cp: cannot open 'upper/in_both.txt' for reading: No such device or address

好吧，这似乎很合理，复制这个奇怪的删除信号文件并没有任何意义。

你可以挂载多个“下层”目录

Docker 镜像通常由 25 个“层”组成。OverlayFS 支持具有多个下层目录，因此你可以运行：

mount -t overlay overlay
      -o lowerdir:/dir1:/dir2:/dir3:...:/dir25,upperdir=...

因此，我假设这是有多个 Docker 层的容器的工作方式，它只是将每个层解压缩到一个单独的目录中，然后要求 OverlayFS 将它们全部合并在一起，并使用一个空的上层目录，容器将对其进行更改。

Docker 也可以使用 btrfs 快照

现在，我使用的是 ext4，而 Docker 使用 OverlayFS 快照来运行容器。但是我曾经用过 btrfs，接着 Docker 将改为使用 btrfs 的写时复制快照。（这是 Docker 何时使用哪种存储驱动的列表）

以这种方式使用 btrfs 快照会产生一些有趣的结果：去年某个时候，我在笔记本上运行了数百个临时的 Docker 容器，这导致我用尽了 btrfs 元数据空间（像这个人一样）。这真的很令人困惑，因为我以前从未听说过 btrfs 元数据，而且弄清楚如何清理文件系统以便再次运行 Docker 容器非常棘手。（这个 docker github 上的提案描述了 Docker 和 btrfs 的类似问题）

以简单的方式尝试容器功能很有趣！

我认为容器通常看起来像是在做“复杂的”事情，我认为将它们分解成这样很有趣。你可以运行一条 mount 咒语，而实际上并没有做任何与容器相关的其他事情，看看叠加层是如何工作的！

via: https://jvns.ca/blog/2019/11/18/how-containers-work–overlayfs/

作者：Julia Evans 选题：lujun9972 译者：geekpi 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出