Linux AUFS 檔案系統

sparkdev發表於2019-07-25
Linux

AUFS 的英文全稱為 Advanced Mult-Layered Unification Filesystem，曾經是 Another Mult-Layered Unification Filesystem，顯然，現在的內涵規格更高些。說明：本文的演示環境為 ubuntu 16.04。

Union File System

Union File System，簡稱 UnionFS，是一種為 Linux、FreeBSD 和 NetBSD 作業系統設計的，把其它檔案系統聯合到一個聯合掛載點的檔案系統服務。它使用 branch 把不同檔案系統的檔案和目錄"透明地"覆蓋，形成一個單一一致的檔案系統。這些 branch 或者是 read-only 的，或者是 read-write 的，所以當對這個虛擬後的聯合檔案系統進行寫操作的時候，系統是真正寫到了一個新的檔案中。看起來這個虛擬後的聯合檔案系統是可以對任何檔案進行操作的，但是其實它並沒有改變原來的檔案。這是因為 Union File System 用到了一個重要的資源管理技術：寫時複製。

寫時複製(copy-on-write，常被簡寫為 CoW)，也叫隱式共享，是一種提高資源使用效率的資源管理技術。它的思想是：如果一個資源是重複的，在沒有對資源做出修改前，並不需要立即複製出一個新的資源例項，這個資源被不同的所有者共享使用。當任何一個所有者要對該資源做出修改時，複製出一個新的資源例項給該所有者進行修改，修改後的資源成為其所有者的私有資源。透過這種資源共享的方式，可以顯著地減少複製相同資源帶來的消耗，但是這樣做也會在進行資源的修改時增加一部分開銷。

建立 AUFS

我們可以透過 mount 命令手動建立 AUFS，接下來我們就用這種方式來演示 AUFS 的主要特徵。

建立演示用的目錄和檔案
先建立一個名稱為 aufs 的資料夾用作實驗目錄：

$ mkdir aufs

然後在 aufs 中建立名稱為 mnt 的目錄作為檔案系統的掛載點：

$ mkdir aufs/mnt

接下來在 aufs 目錄下建立 container-layer 資料夾(模擬容器的讀寫層)，並且在資料夾中建立檔案 container-layer.txt，檔案的內容初始化為 "I am container layer"：

$ mkdir aufs/container-layer
$ echo "I am container layer" > aufs/container-layer/container-layer.txt

最後在 aufs 目錄下建立三個資料夾 image-layer1、image-layer2、image-layer3(用它們來模擬容器的映象層)。在這三個資料夾中分別建立檔案，並初始化為對應的內容：

$ mkdir aufs/{image-layer1,image-layer2,image-layer3}
$ echo "I am image layer 1" > aufs/image-layer1/image-layer1.txt
$ echo "I am image layer 2" > aufs/image-layer2/image-layer2.txt
$ echo "I am image layer 3" > aufs/image-layer3/image-layer3.txt

準備的目錄和檔案結構如下圖所示：

建立 AUFS 檔案系統
mount 是一個非常強大的命令，我們可以用它來建立 AUFS 檔案系統。下面的命令把 container-layer、image-layer1、image-layer2、image-layer3 以 AUFS 的方式掛載到剛才建立的 mnt 目錄下：

$ cd aufs
$ sudo mount -t aufs -o dirs=./container-layer:./image-layer1:./image-layer2:./image-layer3 none ./mnt

掛載完成後可以看到 mnt 目錄下的檔案結構為：

注意，在 mount 命令中我們沒有指定要掛載的 4 個資料夾的許可權資訊，其預設行為是：dirs 指定的左邊起第一個目錄是 read-write 許可權，後續目錄都是 read-only 許可權。我們可以透過下面的方式檢視詳情：

其中的 si_99b90cdd124201eb 目錄是系統為 mnt 這個掛載點建立的，從上圖中我們可以清楚的看到各個目錄的掛載許可權。

驗證寫時複製
下面讓我們向 mnt/image-layer2.txt 檔案中寫入些資料，看看會發生什麼變化？

$ echo "I changed mnt/image-layer2.txt" >> mnt/image-layer2.txt

檢視 mnt/image-layer2.txt 的內容，發現已經變化了：

I am image layer 2
I changed mnt/image-layer2.txt

再去看看 image-layer2/image-layer2.txt，發現它的內容沒有變化，還是：

I am image layer 2

原因在哪裡呢？去 container-layer 目錄下看看：

這裡多了一個 image-layer2.txt 檔案，其內容如下：

原來，當嘗試向 mnt/image-layer2.txt 中寫入檔案時，系統首先在 mnt 目錄下查詢名為 image-layer2.txt 的檔案，將其複製到 read-write 層的 container-layer 目錄中，接著對 container-layer 目錄中的 image-layer2.txt 的檔案進行寫操作。這個過程也就是 AUFS 的實際工作原理。

至此，我們完成了一個簡單的 AUFS demo。可以看出 AUFS 的原理並不是很複雜，但是當與容器技術相結合後，就展示出來超強的魅力，併成為初代 docker 預設的儲存驅動。雖然當前 docker 預設的儲存驅動已經演進到了 overlay2，但是學習 AUFS 依然可以幫助我們深入理解 docker 中的檔案系統。

參考：
維基百科 AUFS
Linux AuFS Examples
AUFS Source Code
Docker Use the AUFS storage driver
《自己動手寫 docker》

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