容器如何工作：OverlayFS

今天早上，我為未來潛在容器雜誌畫了一幅 OverlayFS 的漫畫，我對這個主題感到興奮，想寫一篇關於它的部落格來提供更多詳細資訊。

容器映象很大

容器映象可能會很大（儘管有些很小，例如 alpine linux 才 2.5MB）。Ubuntu 16.04 約為 27 MB，Anaconda Python 發行版為 800MB 至 1.5GB。

你以映象啟動的每個容器都是原始空白狀態，彷彿它只是為使用容器而複製的一份映象複製一樣。但是對於大的容器映象，像 800MB 的 Anaconda 映象，複製一份複製既浪費磁碟空間也很慢。因此 Docker 不會複製，而是採用疊加。

疊加如何工作

OverlayFS，也被稱為 聯合檔案系統或 聯合掛載，它可讓你使用 2 個目錄掛載檔案系統：“下層”目錄和“上層”目錄。

基本上：

• 檔案系統的下層目錄是隻讀的
• 檔案系統的上層目錄可以讀寫

當程序“讀取”檔案時，OverlayFS 檔案系統驅動將在上層目錄中查詢並從該目錄中讀取檔案（如果存在）。否則，它將在下層目錄中查詢。

當程序“寫入”檔案時，OverlayFS 會將其寫入上層目錄。

讓我們使用 mount 製造一個疊加層！

這有點抽象，所以讓我們製作一個 OverlayFS 並嘗試一下！這將只包含一些檔案：我將建立上、下層目錄，以及用來掛載合併的檔案系統的 merged 目錄：

$ 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

合併上層目錄和下層目錄非常容易：我們可以透過 mount 來完成！

$ 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

在執行此操作時，我不斷收到一條非常煩人的錯誤訊息，內容為：mount: /home/bork/test/merged: special device overlay does not exist.。這條訊息是錯誤的，實際上只是意味著我指定的一個目錄缺失（我寫成了 ~/test/merged，但它沒有被展開）。

讓我們嘗試從 OverlayFS 中讀取其中一個檔案！檔案 in_both.txt 同時存在於 lower/ 和 upper/ 中，因此應從 upper/ 目錄中讀取該檔案。

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

可以成功！

目錄的內容就是我們所期望的：

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

建立新檔案時會發生什麼？

$ 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

這是有作用的，新檔案會在 upper 目錄建立。

刪除檔案時會發生什麼？

讀寫似乎很簡單。但是刪除會發生什麼？開始試試！

$ rm merged/in_both.txt

發生了什麼？讓我們用 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 目錄中，並且保持不變
• 它不在 merged 目錄中。到目前為止，這就是我們所期望的。
• 但是在 upper 中發生的事情有點奇怪：有一個名為 upper/in_both.txt 的檔案，但是它是字元裝置？我想這就是 overlayfs 驅動表示刪除的檔案的方式。

如果我們嘗試複製這個奇怪的字元裝置檔案，會發生什麼？

$ 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，這似乎很合理，複製這個奇怪的刪除訊號檔案並沒有任何意義。

你可以掛載多個“下層”目錄

Docker 映象通常由 25 個“層”組成。OverlayFS 支援具有多個下層目錄，因此你可以執行：

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

因此，我假設這是有多個 Docker 層的容器的工作方式，它只是將每個層解壓縮到一個單獨的目錄中，然後要求 OverlayFS 將它們全部合併在一起，並使用一個空的上層目錄，容器將對其進行更改。

Docker 也可以使用 btrfs 快照

現在，我使用的是 ext4，而 Docker 使用 OverlayFS 快照來執行容器。但是我曾經用過 btrfs，接著 Docker 將改為使用 btrfs 的寫時複製快照。（這是 Docker 何時使用哪種儲存驅動的列表）

以這種方式使用 btrfs 快照會產生一些有趣的結果：去年某個時候，我在筆記本上執行了數百個臨時的 Docker 容器，這導致我用盡了 btrfs 後設資料空間（像這個人一樣）。這真的很令人困惑，因為我以前從未聽說過 btrfs 後設資料，而且弄清楚如何清理檔案系統以便再次執行 Docker 容器非常棘手。（這個 docker github 上的提案描述了 Docker 和 btrfs 的類似問題）

以簡單的方式嘗試容器功能很有趣！

我認為容器通常看起來像是在做“複雜的”事情，我認為將它們分解成這樣很有趣。你可以執行一條 mount 咒語，而實際上並沒有做任何與容器相關的其他事情，看看疊加層是如何工作的！

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

作者：Julia Evans 選題：lujun9972 譯者：geekpi 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出