Overlayfs
Overlayfs是一種類似aufs的一種堆疊文件系統(tǒng)，于2014年正式合入Linux-3.18主線內(nèi)核，目前其功能已經(jīng)基本穩(wěn)定（雖然還存在一些特性尚未實(shí)現(xiàn)）且被逐漸推廣，特別在容器技術(shù)中更是勢(shì)頭難擋。
它依賴并建立在其它的文件系統(tǒng)之上（例如ext4fs和xfs等等），并不直接參與磁盤空間結(jié)構(gòu)的劃分，僅僅將原來(lái)底層文件系統(tǒng)中不同的目錄進(jìn)行"合并"，然后向用戶呈現(xiàn)。因此對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，它所見(jiàn)到的overlay文件系統(tǒng)根目錄下的內(nèi)容就來(lái)自掛載時(shí)所指定的不同目錄的"合集"。
overlayfs最基本的特性，簡(jiǎn)單的總結(jié)為以下3點(diǎn)：
（1）上下層同名目錄合并；
（2）上下層同名文件覆蓋；
（3）lower dir文件寫時(shí)拷貝。
這三點(diǎn)對(duì)用戶都是不感知的。
lower dirA / lower dirB目錄和upper dir目錄
- 他們都是來(lái)自底層文件系統(tǒng)的不同目錄，用戶可以自行指定，內(nèi)部包含了用戶想要合并的文件和目錄，merge dir目錄為掛載點(diǎn)。
- 當(dāng)文件系統(tǒng)掛載后，在merge目錄下將會(huì)同時(shí)看到來(lái)自各lower和upper目錄下的內(nèi)容，并且用戶也無(wú)法（無(wú)需）感知這些文件分別哪些來(lái)自lower dir，哪些來(lái)自u(píng)pper dir，用戶看見(jiàn)的只是一個(gè)普通的文件系統(tǒng)根目錄而已（lower dir可以有多個(gè)也可以只有一個(gè)）。
upper dir和各lower dir這幾個(gè)不同的目錄并不完全等價(jià)，存在層次關(guān)系。
- 當(dāng)upper dir和lower dir兩個(gè)目錄存在同名文件時(shí)，lower dir的文件將會(huì)被隱藏，用戶只能看見(jiàn)來(lái)自u(píng)pper dir的文件
- lower dir也存在相同的層次關(guān)系，較上層屏蔽較下層的同名文件。
- 如果存在同名的目錄，那就繼續(xù)合并（lower dir和upper dir合并到掛載點(diǎn)目錄其實(shí)就是合并一個(gè)典型的例子）。
讀寫數(shù)據(jù)：
- 各層目錄中的upper dir是可讀寫的目錄，當(dāng)用戶通過(guò)merge dir向其中一個(gè)來(lái)自u(píng)pper dir的文件寫入數(shù)據(jù)時(shí)，那數(shù)據(jù)將直接寫入upper dir下原來(lái)的文件中，刪除文件也是同理；
- 而各lower dir則是只讀的，在overlayfs掛載后無(wú)論如何操作merge目錄中對(duì)應(yīng)來(lái)自lower dir的文件或目錄，lower dir中的內(nèi)容均不會(huì)發(fā)生任何的改變。
- 當(dāng)用戶想要往來(lái)自lower層的文件添加或修改內(nèi)容時(shí)，overlayfs首先會(huì)的拷貝一份lower dir中的文件副本到upper dir中，后續(xù)的寫入和修改操作將會(huì)在upper dir下的copy-up的副本文件中進(jìn)行，lower dir原文件被隱藏。
overlayfs特性帶來(lái)的好處和應(yīng)用場(chǎng)景
實(shí)際的使用中，會(huì)存在以下的多用戶復(fù)用共享文件和目錄的場(chǎng)景。
復(fù)用共享目錄文件
在同一個(gè)設(shè)備上，用戶A和用戶B有一些共同使用的共享文件（例如運(yùn)行程序所依賴的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等），一般是只讀的；同時(shí)也有自己的私有文件（例如系統(tǒng)配置文件等），往往是需要能夠?qū)懭胄薷牡?；最后即使用戶A修改了被共享的文件也不會(huì)影響到用戶B。
對(duì)于以上的需求場(chǎng)景，我們并不希望每個(gè)用戶都有一份完全一樣的文件副本，因?yàn)檫@樣不僅帶來(lái)空間的浪費(fèi)也會(huì)影響性能，因此overlayfs是一個(gè)較為完美的解決方案。我們將這些共享的文件和目錄所在的目錄設(shè)定為lower dir (1~n)，將用戶私有的文件和目錄所在的目錄設(shè)定為upper dir，然后掛載到用戶指定的掛載點(diǎn)，這樣即能夠保證前面列出的3點(diǎn)需求，同時(shí)也能夠保證用戶A和B獨(dú)有的目錄樹結(jié)構(gòu)。最后最為關(guān)鍵的是用戶A和用戶B在各自掛載目錄下看見(jiàn)的共享文件其實(shí)是同一個(gè)文件，這樣磁盤空間的節(jié)省自是不必說(shuō)了，還有就是共享同一份cache而減少內(nèi)存的使用和提高訪問(wèn)性能，因?yàn)橹灰猚ache不被回收，只需某個(gè)用戶首次訪問(wèn)時(shí)創(chuàng)建cache，后續(xù)其他所有用戶都可以通過(guò)訪問(wèn)cache來(lái)提高IO性能。
這種使用場(chǎng)景在容器技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛
Overlay和Overlay2
以docker容器為例來(lái)介紹overlay的兩種應(yīng)用方式：Overlay和Overlay2.
- Docker容器將鏡像層（image layer）作為lower dir
- 將容器層（container layer）作為upper dir
- 最后掛載到容器merge掛載點(diǎn)，即容器的根目錄下。
遺憾的是，早期內(nèi)核中的overlayfs并不支持多l(xiāng)ower layer，在Linux-4.0以后的內(nèi)核版本中才陸續(xù)支持完善。而容器中可能存在多層鏡像，所以出現(xiàn)了兩種overlayfs的掛載方式，早期的overlay不使用多l(xiāng)ower layer的方式掛載而overlay2則使用該方式掛載。
1. Overlay Driver
Overlay掛載方式如下
--該圖引用自Miklos Szeredi的《overlayfs and containers》2017 linux內(nèi)核大會(huì)演講材料
鏡像層和容器層的組織方式
黃色框中的部分是鏡像層和容器層的組織方式
- 各個(gè)鏡像層中，每下一層中的文件以硬鏈接的方式出現(xiàn)在它的上一層中，以此類推，最終掛載overlayfs的lower dir為最上層鏡像層目錄imager layer N。
- 與此同時(shí)，容器的writable dir作為upper dir，掛載成為容器的rootfs。
本圖中雖然只描述了一個(gè)容器的掛載方式，但是其他容器也類似，鏡像層lower dir N共享，只是各個(gè)容器的upper dir不同而已。
2、Overlay2 Driver
Overlay2掛載方式如下。
--該圖引用自Miklos Szeredi的《overlayfs and containers》2017 linux內(nèi)核大會(huì)演講材料
Overlay2的掛載方式比Overlay的要簡(jiǎn)單許多，它基于內(nèi)核overlayfs的Multiple lower layers特性實(shí)現(xiàn)，不再需要硬鏈接，直接將鏡像層的各個(gè)目錄設(shè)置為overlayfs的各個(gè)lower layer即可（Overlayfs最多支持500層lower dir），對(duì)比Overlay Driver將減少inode的使用。
分別查看鏡像的詳細(xì)信息和運(yùn)行成容器之后的容器詳細(xì)信息
lower1:lower2:lower3 :
表示不同的lower層目錄，不同的目錄使用":"分隔，層次關(guān)系依次為lower1 > lower2 > lower3
注：多l(xiāng)ower層功能支持在Linux-4.0合入，Linux-3.18版本只能指定一個(gè)lower dir
- upper和目錄:
表示upper層目錄 - work目錄：
? 和文件系統(tǒng)掛載后用于存放臨時(shí)和間接文件的工作基目錄（work base dir） - merged目錄:
就是最終的掛載點(diǎn)目錄
