[#]: collector: (lujun9972)
[#]: translator: (geekpi)
[#]: reviewer: (wxy)
[#]: publisher: (wxy)
[#]: url: (https://linux.cn/article-11605-1.html)
[#]: subject: (How containers work: overlayfs)
[#]: via: (https://jvns.ca/blog/2019/11/18/how-containers-work--overlayfs/)
[#]: author: (Julia Evans https://jvns.ca/)

容器如何工作：OverlayFS
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今天早上，我为未来潜在容器[杂志][1]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。

![](https://jvns.ca/images/overlay.jpeg)

### 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][2]）。Ubuntu 16.04 约为 27 MB，[Anaconda Python 发行版为 800MB 至 1.5GB][3]。

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][4]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][5]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][6]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！

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

作者：[Julia Evans][a]
选题：[lujun9972][b]
译者：[geekpi](https://github.com/geekpi)
校对：[wxy](https://github.com/wxy)

本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出

[a]: https://jvns.ca/
[b]: https://github.com/lujun9972
[1]: https://wizardzines.com
[2]: https://hub.docker.com/_/alpine?tab=tags
[3]: https://hub.docker.com/r/continuumio/anaconda3/tags
[4]: https://docs.docker.com/storage/storagedriver/select-storage-driver/
[5]: https://www.reddit.com/r/archlinux/comments/5jrmfe/btrfs_metadata_and_docker/
[6]: https://github.com/moby/moby/issues/27653