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Docker核心組件之聯合文件系統(tǒng)詳解

更新時間：2022年04月26日 17:20:05 作者：昵稱丟了

這篇文章主要為大家介紹了Docker核心組件之聯合文件系統(tǒng)詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

1. 聯合文件系統(tǒng)的定義

聯合文件系統(tǒng)（Union File System，Unionfs）是一種分層的輕量級文件系統(tǒng)，它可以把多個目錄內容聯合掛載到同一目錄下，從而形成一個單一的文件系統(tǒng)，這種特性可以讓使用者像是使用一個目錄一樣使用聯合文件系統(tǒng)。

那聯合文件系統(tǒng)對于 Docker 是一個怎樣的存在呢？它可以說是 Docker 鏡像和容器的基礎，因為它可以使 Docker 可以把鏡像做成分層的結構，從而使得鏡像的每一層可以被共享。例如兩個業(yè)務鏡像都是基于 CentOS 7 鏡像構建的，那么這兩個業(yè)務鏡像在物理機上只需要存儲一次 CentOS 7 這個基礎鏡像即可，從而節(jié)省大量存儲空間。

Docker 中最常用的聯合文件系統(tǒng)有三種：AUFS、Devicemapper 和 OverlayFS。

本文主要講解 Docker 中最常用的聯合文件系統(tǒng)里的 AUFS，為什么呢？因為 AUFS 是 Docker 最早使用的文件系統(tǒng)驅動，多用于 Ubuntu 和 Debian 系統(tǒng)中。在 Docker 早期，OverlayFS 和 Devicemapper 相對不夠成熟，AUFS 是最早也是最穩(wěn)定的文件系統(tǒng)驅動。

2. 配置 Docker 的 AUFS 模式

AUFS 目前并未被合并到 Linux 內核主線，因此只有 Ubuntu 和 Debian 等少數操作系統(tǒng)支持 AUFS。你可以使用以下命令查看你的系統(tǒng)是否支持 AUFS：

$ grep aufs /proc/filesystems
nodev   aufs

執(zhí)行以上命令后，如果輸出結果包含aufs，則代表當前操作系統(tǒng)支持 AUFS。AUFS 推薦在 Ubuntu 或 Debian 操作系統(tǒng)下使用，如果你想要在 CentOS 等操作系統(tǒng)下使用 AUFS，需要單獨安裝 AUFS 模塊（生產環(huán)境不推薦在 CentOS 下使用 AUFS），安裝完成后使用上述命令輸出結果中有aufs即可。
當確認完操作系統(tǒng)支持 AUFS 后，你就可以配置 Docker 的啟動參數了。

先在 /etc/docker 下新建 daemon.json 文件，并寫入以下內容：

{
? "storage-driver": "aufs"
}

然后使用以下命令重啟 Docker：

$ sudo systemctl restart docker

Docker 重啟以后使用docker info命令即可查看配置是否生效：

$ sudo docker info
Client:
?Debug Mode: false
Server:
?Containers: 0
? Running: 0
? Paused: 0
? Stopped: 0
?Images: 1
?Server Version: 19.03.12
?Storage Driver: aufs
? Root Dir: /var/lib/docker/aufs
? Backing Filesystem: extfs
? Dirs: 1
? Dirperm1 Supported: true

可以看到 Storage Driver 已經變?yōu)?aufs，證明配置已經生效，配置生效后就可以使用 AUFS 為 Docker 提供聯合文件系統(tǒng)了。

3. AUFS 工作原理

3.1 AUFS 如何存儲文件

AUFS 是聯合文件系統(tǒng)，意味著它在主機上使用多層目錄存儲，每一個目錄在 AUFS 中都叫作分支，而在 Docker 中則稱之為層（layer），但最終呈現給用戶的則是一個普通單層的文件系統(tǒng)，我們把多層以單一層的方式呈現出來的過程叫作聯合掛載。

如圖 1 所示，每一個鏡像層和容器層都是 /var/lib/docker 下的一個子目錄，鏡像層和容器層都在 aufs/diff 目錄下，每一層的目錄名稱是鏡像或容器的 ID 值，聯合掛載點在 aufs/mnt 目錄下，mnt 目錄是真正的容器工作目錄。

下面我們針對 aufs 文件夾下的各目錄結構，在創(chuàng)建容器前后的變化做詳細講述。

當一個鏡像未生成容器時，AUFS 的存儲結構如下。

diff 文件夾：存儲鏡像內容，每一層都存儲在以鏡像層 ID 命名的子文件夾中。
layers 文件夾：存儲鏡像層關系的元數據，在 diif 文件夾下的每個鏡像層在這里都會有一個文件，文件的內容為該層鏡像的父級鏡像的 ID。
mnt 文件夾：聯合掛載點目錄，未生成容器時，該目錄為空。

當一個鏡像已經生成容器時，AUFS 存儲結構會發(fā)生如下變化。

diff 文件夾：當容器運行時，會在 diff 目錄下生成容器層。
layers 文件夾：增加容器層相關的元數據。
mnt 文件夾：容器的聯合掛載點，這和容器中看到的文件內容一致。

3.2 AUFS 如何工作

1. 讀取文件

當我們在容器中讀取文件時，可能會有以下場景。

文件在容器層中存在時：當文件存在于容器層時，直接從容器層讀取。
當文件在容器層中不存在時：當容器運行時需要讀取某個文件，如果容器層中不存在時，則從鏡像層查找該文件，然后讀取文件內容。
文件既存在于鏡像層，又存在于容器層：當我們讀取的文件既存在于鏡像層，又存在于容器層時，將會從容器層讀取該文件。

2. 修改文件或目錄

AUFS 對文件的修改采用的是寫時復制的工作機制，這種工作機制可以最大程度節(jié)省存儲空間。

具體的文件操作機制如下。

第一次修改文件：

當我們第一次在容器中修改某個文件時，AUFS 會觸發(fā)寫時復制操作，AUFS 首先從鏡像層復制文件到容器層，然后再執(zhí)行對應的修改操作。

AUFS 寫時復制的操作將會復制整個文件，如果文件過大，將會大大降低文件系統(tǒng)的性能，因此當我們有大量文件需要被修改時，AUFS 可能會出現明顯的延遲。好在，寫時復制操作只在第一次修改文件時觸發(fā)，對日常使用沒有太大影響。

當文件或目錄被刪除時，AUFS 并不會真正從鏡像中刪除它，因為鏡像層是只讀的，AUFS 會創(chuàng)建一個特殊的文件或文件夾，這種特殊的文件或文件夾會阻止容器的訪問。

4. AUFS 演示

4.1 準備演示目錄和文件

首先我們在 /tmp 目錄下創(chuàng)建 aufs 目錄：

$ cd /tmp
/tmp$ mkdir aufs

準備掛載點目錄：

/tmp$ cd aufs
/tmp/aufs$ mkdir mnt

接下來準備容器層內容：

## 創(chuàng)建鏡像層目錄
/tmp/aufs$ mkdir container1
## 在鏡像層目錄下準備一個文件
/tmp/aufs$?echo Hello, Container layer! > container1/container1.txt

最后準備鏡像層內容：

## 創(chuàng)建兩個鏡像層目錄
/tmp/aufs$?mkdir image1 && mkdir image2
## 分別寫入數據
/tmp/aufs$?echo Hello, Image layer1! > image1/image1.txt
/tmp/aufs$?echo Hello, Image layer2! > image2/image2.txt

準備好的目錄和文件結構如下：

/tmp/aufs$ tree .
.
|-- container1
|? ?`-- container1.txt
|-- image1
|? ?`-- image1.txt
|-- image2
|? ?`-- image2.txt
`-- mnt
4 directories, 3 files

4.2 創(chuàng)建 AUFS 聯合文件系統(tǒng)

使用 mount 命令可以創(chuàng)建 AUFS 類型的文件系統(tǒng)，命令如下：

/tmp/aufs$ sudo mount -t aufs -o dirs=./container1:./image2:./image1? none ./mnt

mount 命令創(chuàng)建 AUFS 類型文件系統(tǒng)時，這里要注意，dirs 參數第一個冒號默認為讀寫權限，后面的目錄均為只讀權限，與 Docker 容器使用 AUFS 的模式一致。

執(zhí)行完上述命令后，mnt 變成了 AUFS 的聯合掛載目錄，我們可以使用 mount 命令查看一下已經創(chuàng)建的 AUFS 文件系統(tǒng)：

/tmp/aufs$ mount -t aufs
none on /tmp/aufs/mnt type aufs (rw,relatime,si=4174b83d649ffb7c)

我們每創(chuàng)建一個 AUFS 文件系統(tǒng)，AUFS 都會為我們生成一個 ID，這個 ID 在 /sys/fs/aufs/ 會創(chuàng)建對應的目錄，在這個 ID 的目錄下可以查看文件掛載的權限。

tmp/aufs$ cat /sys/fs/aufs/si_4174b83d649ffb7c/*
/tmp/aufs/container1=rw
/tmp/aufs/image2=ro
/tmp/aufs/image1=ro
64
65
66

可以看到 container1 目錄的權限為 rw（代表可讀寫），image1 和 image2 的權限為 ro（代表只讀）。

為了驗證 mnt 目錄下可以看到 container1、image1 和 image2 目錄下的所有內容，我們使用 ls 命令查看一下 mnt 目錄：

/tmp/aufs$?ls -l mnt/
total 12
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 24 Sep? 9 16:55 container1.txt
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 21 Sep? 9 16:59 image1.txt
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 21 Sep? 9 16:59 image2.txt

可以看到 mnt 目錄下已經出現了我們準備的所有鏡像層和容器層的文件。下面讓我們來驗證一下 AUFS 的寫時復制。

4.3 驗證 AUFS 的寫時復制

AUFS 的寫時復制是指在容器中，只有需要修改某個文件時，才會把文件從鏡像層復制到容器層，下面我們通過修改聯合掛載目錄 mnt 下的內容來驗證下這個過程。

我們使用以下命令修改 mnt 目錄下的 image1.txt 文件：

/tmp/aufs$ echo Hello, Image layer1 changed! &gt; mnt/image1.txt

然后我們查看下 image1/image1.txt 文件內容：

/tmp/aufs$ cat image1/image1.txt
Hello, Image layer1!

發(fā)現“鏡像層”的 image1.txt 文件并未被修改。
然后我們查看一下"容器層"對應的 image1.txt 文件內容：

/tmp/aufs$ ls -l container1/
total 8
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 24 Sep? 9 16:55 container1.txt
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 29 Sep? 9 17:21 image1.txt
## 查看文件內容
/tmp/aufs$ cat container1/image1.txt
Hello, Image layer1 changed!

發(fā)現 AUFS 在“容器層”自動創(chuàng)建了 image1.txt 文件，并且內容為我們剛才寫入的內容。

至此，我們完成了 AUFS 寫時復制的驗證。我們在第一次修改鏡像內某個文件時，AUFS 會復制這個文件到容器層，然后在容器層對該文件進行修改操作，這就是 AUFS 最典型的特性寫時復制，更多關于Docker組件聯合文件系統(tǒng)的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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