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[#]: collector: (lujun9972)
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[#]: translator: (geekpi)
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[#]: reviewer: (wxy)
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[#]: publisher: (wxy)
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[#]: url: (https://linux.cn/article-11605-1.html)
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[#]: subject: (How containers work: overlayfs)
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[#]: via: (https://jvns.ca/blog/2019/11/18/how-containers-work--overlayfs/)
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[#]: author: (Julia Evans https://jvns.ca/)
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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。
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### 容器镜像很大
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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]。
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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**。
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### 叠加如何工作
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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。
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基本上：
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* 文件系统的**下层**目录是只读的
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* 文件系统的**上层**目录可以读写
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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。
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当进程“写入”文件时，OverlayFS 会将其写入上层目录。
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### 让我们使用 mount 制造一个叠加层！
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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：
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```
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$ mkdir upper lower merged work
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$ echo "I'm from lower!" > lower/in_lower.txt
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$ echo "I'm from upper!" > upper/in_upper.txt
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$ # `in_both` is in both directories
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$ echo "I'm from lower!" > lower/in_both.txt
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$ echo "I'm from upper!" > upper/in_both.txt
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```
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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！
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$ sudo mount -t overlay overlay
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-o lowerdir=/home/bork/test/lower,upperdir=/home/bork/test/upper,workdir=/home/bork/test/work
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/home/bork/test/merged
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```
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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）。
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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。
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```
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$ cat merged/in_both.txt
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"I'm from upper!
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```
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可以成功！
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目录的内容就是我们所期望的：
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```
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find lower/ upper/ merged/
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lower/
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lower/in_lower.txt
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lower/in_both.txt
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upper/
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upper/in_upper.txt
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upper/in_both.txt
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merged/
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merged/in_lower.txt
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merged/in_both.txt
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merged/in_upper.txt
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```
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### 创建新文件时会发生什么？
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```
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$ echo 'new file' > merged/new_file
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$ ls -l */new_file
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-rw-r--r-- 1 bork bork 9 Nov 18 14:24 merged/new_file
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-rw-r--r-- 1 bork bork 9 Nov 18 14:24 upper/new_file
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```
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这是有作用的，新文件会在 `upper` 目录创建。
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### 删除文件时会发生什么？
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读写似乎很简单。但是删除会发生什么？开始试试！
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```
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$ rm merged/in_both.txt
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```
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发生了什么？让我们用 `ls` 看下：
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```
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ls -l upper/in_both.txt lower/lower1.txt merged/lower1.txt
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ls: cannot access 'merged/in_both.txt': No such file or directory
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-rw-r--r-- 1 bork bork 6 Nov 18 14:09 lower/in_both.txt
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c--------- 1 root root 0, 0 Nov 18 14:19 upper/in_both.txt
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```
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所以：
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* `in_both.txt` 仍在 `lower` 目录中，并且保持不变
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* 它不在 `merged` 目录中。到目前为止，这就是我们所期望的。
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* 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。
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如果我们尝试复制这个奇怪的字符设备文件，会发生什么？
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```
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$ sudo cp upper/in_both.txt upper/in_lower.txt
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cp: cannot open 'upper/in_both.txt' for reading: No such device or address
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```
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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。
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### 你可以挂载多个“下层”目录
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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：
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```
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mount -t overlay overlay
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-o lowerdir:/dir1:/dir2:/dir3:...:/dir25,upperdir=...
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```
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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。
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### Docker 也可以使用 btrfs 快照
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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）
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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）
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### 以简单的方式尝试容器功能很有趣！
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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/
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作者：[Julia Evans][a]
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选题：[lujun9972][b]
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译者：[geekpi](https://github.com/geekpi)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]: https://jvns.ca/
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[b]: https://github.com/lujun9972
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[1]: https://wizardzines.com
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[2]: https://hub.docker.com/_/alpine?tab=tags
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[3]: https://hub.docker.com/r/continuumio/anaconda3/tags
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[4]: https://docs.docker.com/storage/storagedriver/select-storage-driver/
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[5]: https://www.reddit.com/r/archlinux/comments/5jrmfe/btrfs_metadata_and_docker/
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[6]: https://github.com/moby/moby/issues/27653
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