Linux Overlay 文件系统原理详解

Overlay 文件系统是 Linux 内核提供的一种联合挂载文件系统(Union Filesystem)，它允许将多个文件系统层(通常是两层)透明地叠加在一起，形成一个统一的视图。

核心原理

OverlayFS 主要由以下几部分组成：

1. lowerdir：底层文件系统(只读层)
2. upperdir：上层文件系统(可写层)
3. merged：合并后的视图
4. workdir：工作目录(必须与 upperdir 位于同一文件系统)

工作流程

当用户访问合并后的文件系统时，OverlayFS 按以下规则处理：

1. 文件查找：

   • 首先在 upperdir 中查找
   • 如果不存在，则在 lowerdir 中查找

2. 文件修改：

   • 修改文件时，如果文件来自 lowerdir，会先被复制到 upperdir(写时复制，Copy-on-Write)
   • 然后在上层进行修改

3. 文件删除：

   • 删除 lowerdir 中的文件时，会在 upperdir 中创建一个"whiteout"文件(字符设备文件)
   • 删除 upperdir 中的文件时，会创建一个"opaque"目录条目

关键技术特点

1. 写时复制(CoW)：只有修改时才复制文件到上层，节省空间
2. 层叠视图：提供统一的文件系统视图，隐藏底层实现
3. 性能优化：大部分操作只涉及上层文件系统，性能接近原生文件系统
4. 原子性操作：通过 workdir 确保操作的原子性

典型应用场景

1. 容器技术：Docker 等容器技术使用 OverlayFS 作为存储驱动
2. Live CD/USB：在只读介质上提供可写层
3. 软件测试：在不影响原系统的情况下进行测试
4. 增量备份：只备份上层变更部分

挂载示例

mount -t overlay overlay -o lowerdir=/lower,upperdir=/upper,workdir=/work /merged

优缺点

优点： - 节省存储空间 - 快速部署 - 保持基础镜像不变 - 支持快速回滚

缺点： - 某些操作(如删除大文件)可能消耗较多资源 - 跨文件系统性能可能受影响 - 某些高级文件系统特性可能不支持

OverlayFS 自 Linux 3.18 起被合并到主线内核，已成为现代 Linux 系统中重要的文件系统技术之一。