OverlayFS 存储驱动程序

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OverlayFS 是一种联合文件系统。

本文档将 Linux 内核驱动称为 OverlayFS，将 Docker 存储驱动称为 overlay2。

Note

Docker Engine 29.0 及更高版本默认使用 containerd 镜像存储。 overlay2 驱动是传统的存储驱动，已被 overlayfs containerd 快照程序取代。更多信息，请参阅 选择存储驱动程序。

Note

有关 fuse-overlayfs 驱动，请参阅 无根模式文档。

先决条件

如果您满足以下先决条件，则支持 overlay2 驱动：

  • Linux 内核版本 4.0 或更高版本，或者使用内核版本 3.10.0-514 或更高版本的 RHEL 或 CentOS。

  • overlay2 驱动在 xfs 后备文件系统上受支持，但仅在启用 d_type=true 时受支持。

    使用 xfs_info 验证 ftype 选项是否设置为 1。要正确格式化 xfs 文件系统，请使用标志 -n ftype=1。

  • 更改存储驱动会使本地系统上现有的容器和镜像无法访问。在更改存储驱动之前，请使用 docker save 保存您构建的任何镜像，或将它们推送到 Docker Hub 或私有注册表，这样您以后就不需要重新创建它们。

使用 overlay2 存储驱动配置 Docker

在执行此过程之前，您必须首先满足所有先决条件。

以下步骤概述了如何配置 overlay2 存储驱动。

  1. 停止 Docker。

    $ sudo systemctl stop docker

  2. 将 /var/lib/docker 的内容复制到临时位置。

    $ cp -au /var/lib/docker /var/lib/docker.bk

  3. 如果您想使用与 /var/lib/ 所用文件系统不同的后备文件系统，请格式化该文件系统并将其挂载到 /var/lib/docker 中。确保将此挂载添加到 /etc/fstab 以使其永久生效。

  4. 编辑 /etc/docker/daemon.json。如果该文件尚不存在，请创建它。假设该文件为空，请添加以下内容。

    {
  "storage-driver": "overlay2"
}

    如果 daemon.json 文件包含无效的 JSON，Docker 将无法启动。

  5. 启动 Docker。

    $ sudo systemctl start docker

  6. 验证守护进程是否正在使用 overlay2 存储驱动。使用 docker info 命令并查找 Storage Driver 和 Backing filesystem。

    $ docker info

Containers: 0
Images: 0
Storage Driver: overlay2
 Backing Filesystem: xfs
 Supports d_type: true
 Native Overlay Diff: true
<...>

Docker 现在正在使用 overlay2 存储驱动，并已自动使用所需的 lowerdir、upperdir、merged 和 workdir 结构创建了叠加挂载。

继续阅读以了解 OverlayFS 在 Docker 容器内如何工作，以及性能建议和其与不同后备文件系统兼容性的限制信息。

overlay2 驱动的工作原理

OverlayFS 将两个目录叠加在单个 Linux 主机上，并将它们呈现为一个目录。这些目录称为层，合并过程称为联合挂载。OverlayFS 将下层目录称为 lowerdir，将上层目录称为 upperdir。统一视图通过其自己的目录 merged 暴露出来。

overlay2 驱动程序原生支持最多 128 个下层 OverlayFS 层。此功能为与层相关的 Docker 命令（如 docker build 和 docker commit）提供了更好的性能，并减少了后备文件系统上的 inode 消耗。

磁盘上的镜像和容器层

使用 docker pull ubuntu 下载五层镜像后，您可以在 /var/lib/docker/overlay2 下看到六个目录。

Warning

请勿直接操作 /var/lib/docker/ 中的任何文件或目录。这些文件和目录由 Docker 管理。

$ ls -l /var/lib/docker/overlay2

total 24
drwx------ 5 root root 4096 Jun 20 07:36 223c2864175491657d238e2664251df13b63adb8d050924fd1bfcdb278b866f7
drwx------ 3 root root 4096 Jun 20 07:36 3a36935c9df35472229c57f4a27105a136f5e4dbef0f87905b2e506e494e348b
drwx------ 5 root root 4096 Jun 20 07:36 4e9fa83caff3e8f4cc83693fa407a4a9fac9573deaf481506c102d484dd1e6a1
drwx------ 5 root root 4096 Jun 20 07:36 e8876a226237217ec61c4baf238a32992291d059fdac95ed6303bdff3f59cff5
drwx------ 5 root root 4096 Jun 20 07:36 eca1e4e1694283e001f200a667bb3cb40853cf2d1b12c29feda7422fed78afed
drwx------ 2 root root 4096 Jun 20 07:36 l

新的 l（小写 L）目录包含缩短的层标识符作为符号链接。这些标识符用于避免达到 mount 命令参数的页面大小限制。

$ ls -l /var/lib/docker/overlay2/l

total 20
lrwxrwxrwx 1 root root 72 Jun 20 07:36 6Y5IM2XC7TSNIJZZFLJCS6I4I4 -> ../3a36935c9df35472229c57f4a27105a136f5e4dbef0f87905b2e506e494e348b/diff
lrwxrwxrwx 1 root root 72 Jun 20 07:36 B3WWEFKBG3PLLV737KZFIASSW7 -> ../4e9fa83caff3e8f4cc83693fa407a4a9fac9573deaf481506c102d484dd1e6a1/diff
lrwxrwxrwx 1 root root 72 Jun 20 07:36 JEYMODZYFCZFYSDABYXD5MF6YO -> ../eca1e4e1694283e001f200a667bb3cb40853cf2d1b12c29feda7422fed78afed/diff
lrwxrwxrwx 1 root root 72 Jun 20 07:36 NFYKDW6APBCCUCTOUSYDH4DXAT -> ../223c2864175491657d238e2664251df13b63adb8d050924fd1bfcdb278b866f7/diff
lrwxrwxrwx 1 root root 72 Jun 20 07:36 UL2MW33MSE3Q5VYIKBRN4ZAGQP -> ../e8876a226237217ec61c4baf238a32992291d059fdac95ed6303bdff3f59cff5/diff

最底层包含一个名为 link 的文件，其中包含缩短标识符的名称，以及一个名为 diff 的目录，其中包含该层的内容。

$ ls /var/lib/docker/overlay2/3a36935c9df35472229c57f4a27105a136f5e4dbef0f87905b2e506e494e348b/

diff  link

$ cat /var/lib/docker/overlay2/3a36935c9df35472229c57f4a27105a136f5e4dbef0f87905b2e506e494e348b/link

6Y5IM2XC7TSNIJZZFLJCS6I4I4

$ ls  /var/lib/docker/overlay2/3a36935c9df35472229c57f4a27105a136f5e4dbef0f87905b2e506e494e348b/diff

bin  boot  dev  etc  home  lib  lib64  media  mnt  opt  proc  root  run  sbin  srv  sys  tmp  usr  var

倒数第二层和每个更高层都包含一个名为 lower 的文件，用于表示其父层，以及一个名为 diff 的目录，其中包含其内容。它还包含一个 merged 目录，其中包含其父层和自身的统一内容，以及一个 work 目录，该目录由 OverlayFS 在内部使用。

$ ls /var/lib/docker/overlay2/223c2864175491657d238e2664251df13b63adb8d050924fd1bfcdb278b866f7

diff  link  lower  merged  work

$ cat /var/lib/docker/overlay2/223c2864175491657d238e2664251df13b63adb8d050924fd1bfcdb278b866f7/lower

l/6Y5IM2XC7TSNIJZZFLJCS6I4I4

$ ls /var/lib/docker/overlay2/223c2864175491657d238e2664251df13b63adb8d050924fd1bfcdb278b866f7/diff/

etc  sbin  usr  var

要查看使用 overlay 存储驱动与 Docker 时存在的挂载，请使用 mount 命令。为便于阅读，下面的输出已截断。

$ mount | grep overlay

overlay on /var/lib/docker/overlay2/9186877cdf386d0a3b016149cf30c208f326dca307529e646afce5b3f83f5304/merged
type overlay (rw,relatime,
lowerdir=l/DJA75GUWHWG7EWICFYX54FIOVT:l/B3WWEFKBG3PLLV737KZFIASSW7:l/JEYMODZYFCZFYSDABYXD5MF6YO:l/UL2MW33MSE3Q5VYIKBRN4ZAGQP:l/NFYKDW6APBCCUCTOUSYDH4DXAT:l/6Y5IM2XC7TSNIJZZFLJCS6I4I4,
upperdir=9186877cdf386d0a3b016149cf30c208f326dca307529e646afce5b3f83f5304/diff,
workdir=9186877cdf386d0a3b016149cf30c208f326dca307529e646afce5b3f83f5304/work)

第二行中的 rw 显示 overlay 挂载是读写的。

下图显示了 Docker 镜像和 Docker 容器如何分层。镜像层是 lowerdir，容器层是 upperdir。如果镜像有多层，则使用多个 lowerdir 目录。统一视图通过名为 merged 的目录暴露出来，该目录实际上是容器的挂载点。

Docker 构造如何映射到 OverlayFS 构造

如果镜像层和容器层包含相同的文件，则容器层 (upperdir) 优先，并掩盖镜像层中相同文件的存在。

要创建容器，overlay2 驱动会组合表示镜像顶层的目录和容器的新目录。镜像的层是叠加层中的 lowerdirs，是只读的。容器的新目录是 upperdir，是可写的。

磁盘上的镜像和容器层

以下 docker pull 命令显示 Docker 主机正在下载包含五层的 Docker 镜像。

$ docker pull ubuntu

Using default tag: latest
latest: Pulling from library/ubuntu

5ba4f30e5bea: Pull complete
9d7d19c9dc56: Pull complete
ac6ad7efd0f9: Pull complete
e7491a747824: Pull complete
a3ed95caeb02: Pull complete
Digest: sha256:46fb5d001b88ad904c5c732b086b596b92cfb4a4840a3abd0e35dbb6870585e4
Status: Downloaded newer image for ubuntu:latest

镜像层

每个镜像层在 /var/lib/docker/overlay/ 中都有自己的目录，其中包含其内容，如下例所示。镜像层 ID 与目录 ID 不对应。

Warning

请勿直接操作 /var/lib/docker/ 中的任何文件或目录。这些文件和目录由 Docker 管理。

$ ls -l /var/lib/docker/overlay/

total 20
drwx------ 3 root root 4096 Jun 20 16:11 38f3ed2eac129654acef11c32670b534670c3a06e483fce313d72e3e0a15baa8
drwx------ 3 root root 4096 Jun 20 16:11 55f1e14c361b90570df46371b20ce6d480c434981cbda5fd68c6ff61aa0a5358
drwx------ 3 root root 4096 Jun 20 16:11 824c8a961a4f5e8fe4f4243dab57c5be798e7fd195f6d88ab06aea92ba931654
drwx------ 3 root root 4096 Jun 20 16:11 ad0fe55125ebf599da124da175174a4b8c1878afe6907bf7c78570341f308461
drwx------ 3 root root 4096 Jun 20 16:11 edab9b5e5bf73f2997524eebeac1de4cf9c8b904fa8ad3ec43b3504196aa3801

镜像层目录包含该层独有的文件，以及与较低层共享数据的硬链接。这样可以有效地利用磁盘空间。

$ ls -i /var/lib/docker/overlay2/38f3ed2eac129654acef11c32670b534670c3a06e483fce313d72e3e0a15baa8/root/bin/ls

19793696 /var/lib/docker/overlay2/38f3ed2eac129654acef11c32670b534670c3a06e483fce313d72e3e0a15baa8/root/bin/ls

$ ls -i /var/lib/docker/overlay2/55f1e14c361b90570df46371b20ce6d480c434981cbda5fd68c6ff61aa0a5358/root/bin/ls

19793696 /var/lib/docker/overlay2/55f1e14c361b90570df46371b20ce6d480c434981cbda5fd68c6ff61aa0a5358/root/bin/ls

容器层

容器也以磁盘形式存在于 Docker 主机的文件系统中，位于 /var/lib/docker/overlay/ 下。如果您使用 ls -l 命令列出正在运行的容器的子目录，会存在三个目录和一个文件：

$ ls -l /var/lib/docker/overlay2/<directory-of-running-container>

total 16
-rw-r--r-- 1 root root   64 Jun 20 16:39 lower-id
drwxr-xr-x 1 root root 4096 Jun 20 16:39 merged
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Jun 20 16:39 upper
drwx------ 3 root root 4096 Jun 20 16:39 work

lower-id 文件包含容器所基于镜像的顶层 ID，即 OverlayFS 的 lowerdir。

$ cat /var/lib/docker/overlay2/ec444863a55a9f1ca2df72223d459c5d940a721b2288ff86a3f27be28b53be6c/lower-id

55f1e14c361b90570df46371b20ce6d480c434981cbda5fd68c6ff61aa0a5358

upper 目录包含容器读写层的内容，对应于 OverlayFS 的 upperdir。

merged 目录是 lowerdir 和 upperdirs 的联合挂载，包含运行中容器内部的文件系统视图。

work 目录是 OverlayFS 内部使用的。

要查看使用 overlay2 存储驱动与 Docker 时存在的挂载，请使用 mount 命令。为便于阅读，下面的输出已截断。

$ mount | grep overlay

overlay on /var/lib/docker/overlay2/l/ec444863a55a.../merged
type overlay (rw,relatime,lowerdir=/var/lib/docker/overlay2/l/55f1e14c361b.../root,
upperdir=/var/lib/docker/overlay2/l/ec444863a55a.../upper,
workdir=/var/lib/docker/overlay2/l/ec444863a55a.../work)

第二行中的 rw 显示 overlay 挂载是读写的。

容器如何使用 overlay2 进行读写

读取文件

考虑容器使用叠加层为读取访问打开文件的三种情况。

文件在容器层中不存在

如果容器为读取访问打开一个文件，且该文件在容器 (upperdir) 中尚不存在，则从镜像 (lowerdir) 中读取。这产生的性能开销非常小。

文件仅存在于容器层中

如果容器为读取访问打开一个文件，且该文件存在于容器 (upperdir) 中而不存在于镜像 (lowerdir) 中，则直接从容器中读取。

文件同时存在于容器层和镜像层中

如果容器为读取访问打开一个文件，且该文件同时存在于镜像层和容器层中，则读取容器层中的文件版本。容器层 (upperdir) 中的文件会掩盖镜像层 (lowerdir) 中同名的文件。

修改文件或目录

考虑在容器中修改文件的一些情况。

第一次写入文件

容器第一次写入现有文件时，该文件在容器 (upperdir) 中不存在。overlay2 驱动执行 copy_up 操作，将文件从镜像 (lowerdir) 复制到容器 (upperdir)。然后容器将更改写入容器层中文件的新副本。

但是，OverlayFS 在文件级别而不是块级别工作。这意味着所有 OverlayFS copy_up 操作都会复制整个文件，即使文件很大且只修改了一小部分。这可能对容器写入性能产生明显影响。但是，有两点值得注意：

  • copy_up 操作仅在第一次写入给定文件时发生。随后对同一文件的写入操作针对已复制到容器中的文件副本进行。

  • OverlayFS 与多层一起工作。这意味着在具有许多层的镜像中搜索文件时，性能可能会受到影响。

删除文件和目录

  • 当在容器内删除一个文件时，会在容器 (upperdir) 中创建一个白化文件。镜像层 (lowerdir) 中的文件版本不会被删除（因为 lowerdir 是只读的）。但是，白化文件会阻止容器访问它。

  • 当在容器内删除一个目录时，会在容器 (upperdir) 中创建一个不透明目录。这与白化文件的工作方式相同，可有效阻止访问该目录，即使它仍然存在于镜像 (lowerdir) 中。

重命名目录

仅当源路径和目标路径都在顶层时，才允许为目录调用 rename(2)。否则，它会返回 EXDEV 错误（“不允许跨设备链接”）。您的应用程序需要设计为处理 EXDEV 并回退到“复制并取消链接”策略。

OverlayFS 和 Docker 性能

overlay2 的性能可能优于 btrfs。但是，请注意以下细节：

页面缓存

OverlayFS 支持页面缓存共享。访问同一文件的多个容器共享该文件的单个页面缓存条目。这使得 overlay2 驱动程序在内存使用方面非常高效，并且是高密度用例（如 PaaS）的良好选择。

复制（Copyup）

与其他写时复制文件系统一样，OverlayFS 在容器首次写入文件时执行复制操作。这可能会增加写入操作的延迟，尤其是对于大文件。但是，一旦文件被复制，对该文件的所有后续写入都发生在上层，无需进一步的复制操作。

性能最佳实践

以下通用性能最佳实践适用于 OverlayFS。

使用快速存储

固态硬盘 (SSD) 比旋转磁盘提供更快的读写速度。

对写入密集型工作负载使用卷

卷为写入密集型工作负载提供最佳和最可预测的性能。这是因为它们绕过存储驱动程序，并且不会因精简配置和写时复制而产生任何潜在开销。卷还有其他好处，例如允许您在容器之间共享数据，并在没有正在运行的容器使用它们时持久保存数据。

OverlayFS 兼容性的限制

总结 OverlayFS 与其他文件系统不兼容的方面：

open(2)
OverlayFS 仅实现了 POSIX 标准的一个子集。这可能导致某些 OverlayFS 操作违反 POSIX 标准。其中一个操作是复制操作。假设您的应用程序调用 fd1=open("foo", O_RDONLY)，然后调用 fd2=open("foo", O_RDWR)。在这种情况下，您的应用程序期望 fd1 和 fd2 引用同一个文件。但是，由于在第二次调用 open(2) 后发生复制操作，描述符引用的是不同的文件。fd1 继续引用镜像 (lowerdir) 中的文件，而 fd2 引用容器 (upperdir) 中的文件。解决此问题的方法是 touch 文件，这会导致发生复制操作。所有后续的 open(2) 操作，无论读写访问模式如何，都将引用容器 (upperdir) 中的文件。

已知 yum 会受到影响，除非安装了 yum-plugin-ovl 包。如果您的发行版（如 6.8 或 7.2 之前的 RHEL/CentOS）中没有 yum-plugin-ovl 包，您可能需要在运行 yum install 之前运行 touch /var/lib/rpm/*。该包为 yum 实现了上述 touch 解决方法。

rename(2)
OverlayFS 不完全支持 rename(2) 系统调用。您的应用程序需要检测其故障并回退到“复制并取消链接”策略。