我们在容器里，运行 df 命令，你可以看到在容器中根目录 (/) 的文件系统类型是"overlay"，它不是我们在普通 Linux 节点上看到的 ext4 或者 xfs 之类常见的文件系统。

那么看到这里你肯定想问，Overlay 是一个什么样的文件系统呢，容器为什么要用这种文件系统？

在说容器文件系统前，我们先来想象一下如果没有文件系统管理的话会怎样。假设有这么一个场景，在一个宿主机上需要运行 100 个容器。

每个容器都需要一个镜像，这个镜像就把容器中程序需要运行的二进制文件，库文件，配置文件，其他的依赖文件等全部都打包成一个镜像文件。

如果没有特别的容器文件系统，只是普通的 ext4 或者 xfs 文件系统，那么每次启动一个容器，就需要把一个镜像文件下载并且存储在宿主机上。

我举个例子帮你理解，比如说，假设一个镜像文件的大小是 500MB，那么 100 个容器的话，就需要下载 500MB*100= 50GB 的文件，并且占用 50GB 的磁盘空间。

如果你再分析一下这 50GB 里的内容，你会发现，在绝大部分的操作系统里，库文件都是差不多的。而且，在容器运行的时候，这类文件也不会被改动，基本上都是只读的。特别是这样的情况：假如这 100 个容器镜像都是基于"ubuntu:18.04"的，每个容器镜像只是额外复制了 50MB 左右自己的应用程序到"ubuntu: 18.04"里，那么就是说在总共 50GB 的数据里，有 90% 的数据是冗余的。

讲到这里，你不难推测出理想的情况应该是什么样的？

没错，当然是在一个宿主机上只要下载并且存储存一份"ubuntu:18.04"，所有基于"ubuntu:18.04"镜像的容器都可以共享这一份通用的部分。这样设置的话，不同容器启动的时候，只需要下载自己独特的程序部分就可以。

正是为了有效地减少磁盘上冗余的镜像数据，同时减少冗余的镜像数据在网络上的传输，选择一种针对于容器的文件系统是很有必要的，而这类的文件系统被称为 UnionFS。

UnionFS 这类文件系统实现的主要功能是把多个目录（处于不同的分区）一起挂载（mount）在一个目录下。

这种多目录挂载的方式，正好可以解决我们刚才说的容器镜像的问题。比如，我们可以把 ubuntu18.04 这个基础镜像的文件放在一个目录 ubuntu18.04/ 下，容器自己额外的程序文件 app_1_bin 放在 app_1/ 目录下。然后，我们把这两个目录挂载到 container_1/ 这个目录下，作为容器 1 看到的文件系统；对于容器 2，就可以把 ubuntu18.04/ 和 app_2/ 两个目录一起挂载到 container_2 的目录下。这样在节点上我们只要保留一份 ubuntu18.04 的文件就可以了。

UnionFS 类似的有很多种实现，包括在 Docker 里最早使用的 AUFS，还有目前我们使用的 OverlayFS。

前面我们在运行df的时候，看到的文件系统类型"overlay"指的就是 OverlayFS。

在 Linux 内核 3.18 版本中，OverlayFS 代码正式合入 Linux 内核的主分支。在这之后，OverlayFS 也就逐渐成为各个主流 Linux 发行版本里缺省使用的容器文件系统了。

网上 Julia Evans 有个blog，里面有个的 OverlayFS 使用的例子，很简单，我们也拿这个例子来理解一下 OverlayFS 的一些基本概念。

How containers work: overlayfs

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

你可以先执行一下这一组命令。

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#!/bin/bash

umount ./merged

rm upper lower merged work -r

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

sudo mount -t overlay overlay \

-o lowerdir=./lower,upperdir=./upper,workdir=./work \

./merged

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我们可以看到，OverlayFS 的一个 mount 命令牵涉到四类目录，分别是 lower，upper，merged 和 work，那它们是什么关系呢？

我们看下面这张图，这和前面 UnionFS 的工作示意图很像，也不奇怪，OverlayFS 就是 UnionFS 的一种实现。接下来，我们从下往上依次看看每一层的功能。

首先，最下面的"lower/"，也就是被 mount 两层目录中底下的这层（lowerdir）。

在 OverlayFS 中，最底下这一层里的文件是不会被修改的，你可以认为它是只读的。我还想提醒你一点，在这个例子里我们只有一个 lower/ 目录，不过 OverlayFS 是支持多个 lowerdir 的。然后我们看"uppder/"，它是被 mount 两层目录中上面的这层 （upperdir）。

在 OverlayFS 中，如果有文件的创建，修改，删除操作，那么都会在这一层反映出来，它是可读写的。接着是最上面的"merged" ，它是挂载点（mount point）目录，也是用户看到的目录，用户的实际文件操作在这里进行。

其实还有一个"work/"，这个目录没有在这个图里，它只是一个存放临时文件的目录，OverlayFS 中如果有文件修改，就会在中间过程中临时存放文件到这里。

从这个例子我们可以看到，OverlayFS 会 mount 两层目录，分别是 lower 层和 upper 层，这两层目录中的文件都会映射到挂载点上。

从挂载点的视角看，upper 层的文件会覆盖 lower 层的文件，比如"in_both.txt"这个文件，在 lower 层和 upper 层都有，但是挂载点 merged/ 里看到的只是 upper 层里的 in_both.txt.

如果我们在 merged/ 目录里做文件操作，具体包括这三种：

第一种，新建文件，这个文件会出现在 upper/ 目录中。

第二种是删除文件，如果我们删除"in_upper.txt"，那么这个文件会在 upper/ 目录中消失。

如果删除"in_lower.txt", 在 lower/ 目录里的"in_lower.txt"文件不会有变化，只是在 upper/ 目录中增加了一个特殊文件来告诉 OverlayFS，"in_lower.txt'这个文件不能出现在 merged/ 里了，这就表示它已经被删除了。

第三种是修改文件，类似如果修改"in_lower.txt"，那么就会在 upper/ 目录中新建一个"in_lower.txt"文件，包含更新的内容，而在 lower/ 中的原来的实际文件"in_lower.txt"不会改变。

通过这个例子，我们知道了 OverlayFS 是怎么工作了。

那么我们可以再想一想，怎么把它运用到容器的镜像文件上？

其实也不难，从系统的 mounts 信息中，我们可以看到 Docker 是怎么用 OverlayFS 来挂载镜像文件的：

容器镜像文件可以分成多个层（layer），每层可以对应 OverlayFS 里 lowerdir 的一个目录，lowerdir 支持多个目录，也就可以支持多层的镜像文件。

在容器启动后，对镜像文件中修改就会被保存在 upperdir 里了。

在理解了容器使用的 OverlayFS 文件系统后，我们再回到开始的问题，为什么在宿主机升级之后，在容器里读写文件的性能降低了？

现在我们至少应该知道，在容器中读写文件性能降低了，那么应该是 OverlayFS 的性能在新的 ubuntu20.04 中降低了。

Linux 为了完善 OverlayFS，增加了 OverlayFS 自己的 read/write 函数接口，从而不再直接调用 OverlayFS 后端文件系统（比如 xfs，ext4）的读写接口。但是它只实现了同步 I/O（sync I/O），并没有实现异步 I/O。

在 fio 做文件系统性能测试的时候使用的是异步 I/O，这样才可以得到文件系统的性能最大值。所以，在内核 5.4 上就无法对 OverlayFS 测出最高的性能指标了。

在 Linux 内核 5.6 版本中，这个问题已经通过下面的这个补丁给解决了，有兴趣的同学可以看一下。

overlayfs: stack file operations

https://lwn.net/Articles/755889/

为什么要有容器自己的文件系统？

很重要的一点是减少相同镜像文件在同一个节点上的数据冗余，可以节省磁盘空间，也可以减少镜像文件下载占用的网络资源。

作为容器文件系统，UnionFS 通过多个目录挂载的方式工作。

OverlayFS 就是 UnionFS 的一种实现，是目前主流 Linux 发行版本中缺省使用的容器文件系统。

OverlayFS 也是把多个目录合并挂载，被挂载的目录分为两大类：lowerdir 和 upperdir。

lowerdir 允许有多个目录，在被挂载后，这些目录里的文件都是不会被修改或者删除的，也就是只读的；upperdir 只有一个，不过这个目录是可读写的，挂载点目录中的所有文件修改都会在 upperdir 中反映出来。

容器的镜像文件中各层正好作为 OverlayFS 的 lowerdir 的目录，然后加上一个空的 upperdir 一起挂载好后，就组成了容器的文件系统。

OverlayFS 在 Linux 内核中还在不断的完善，比如我们在这一讲看到的在 kenel 5.4 中对异步 I/O 操作的缺失，这也是我们在使用容器文件系统的时候需要注意的。

1. 在上面 OverlayFS 的例子的基础上，建立 2 个 lowerdir 的目录，并且在目录中建立相同文件名的文件，然后一起做一个 overlay mount，看看会发生什么？

经过实验确认，只会在merge即联合挂载点里生成一个文件名，也就是说overlay文件系统为了省存储空间是做了同名文件合并优化。

“merge层”相当于提供给用户进行交互的视图层;

“upper层”相当于存储实际发生变动的地方;

“lower层”是不变的，用户通过merge层视图对lower层文件的所有操作，都被重定向到“upper层”了，特殊的是删除操作，会在upper层生成一个特殊的c类型的文件来代表该文件被删。

用户交互时只能对merge层的视图来操作。

在merge层的视图中，上层覆盖下层同名文件，上下关系不只是upper和lower之间，即便在多个lower层中，也是上层覆盖下层。

那么，merged/in_lower.txt ”里的值有可能是"I'm from lower2!"吗？

2.aufs，是完全被废弃吗？aufs的废弃是指在内核层的废弃吗？之前安装docker时，时可以配置使用aufs 还是overlay2，也就是说内核层还未完全去除对aufs的支持吗？

 aufs的代码从来就没有进入Linux内核的主干。

3.本文中描述的现象，一个重要的原因是容器镜像里只有rootfs，没有Linux内核，宿主机上的所有容器是共用宿主机内核的。所以，当宿主机内核版本升级后，容器镜像并没有相应的升级，也会产生这个问题，文中并没有对这个知识要点说明。

容器镜像中只有rootfs没有Linux内核是对的。

在文章里，宿主机内核升级后，无论容器的镜像是否升级，都会有这个问题。文中的问题是overlayfs引起的，和镜像中的文件没有关系。

4. CentOS7.x 容器节点 tmpfs文件类型与 Overlayfs文件类型的区别是什么？

tmpfs只是用来存放一些临时文件的内存文件系统，比如/tmp目录可以使用tmpfs。

5.假如我将一个卷(宿主机上的某个目录)挂在到容器文件系统中的某个目录，我在容器中对这个卷中的数据做读写操作，因为这个挂载路径也是容器文件系统的一部分，性能是不是也是会有影响的？

如果以volume的方式挂载到容器中，那么它就不是以overlayfs的文件系统。

性能是否影响要看volume目录的位置在哪个物理磁盘上，和它共享物理磁盘的有哪些读写进程。

6.对当前k8s和docker的相爱相杀有什么看法？未来docker市场会被podman取代吗？如果会的话，这个过程大概要多久?

容器云平台里，k8s肯定是主流，用了k8s, 基本就不需要要docker了，启动容器的程序肯定是越简单越好。

参考

如何理解容器文件系统？

https://time.geekbang.org/column/article/318173

容器实战高手课/在实战中深入理解容器技术的本质

https://time.geekbang.org/column/intro/365

How containers work: overlayfs

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