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Linux AUFS 文件系统

AUFS 的英文全称为 Advanced Mult-Layered Unification Filesystem,曾经是 Another Mult-Layered Unification Filesystem,显然,现在的内涵规格更高些。说明:本文的演示环境为 ubuntu 16.04。

Union File System

Union File System,简称 UnionFS,是一种为 Linux、FreeBSD 和 NetBSD 操作系统设计的,把其它文件系统联合到一个联合挂载点的文件系统服务。它使用 branch 把不同文件系统的文件和目录"透明地"覆盖,形成一个单一一致的文件系统。这些 branch 或者是 read-only 的,或者是 read-write 的,所以当对这个虚拟后的联合文件系统进行写操作的时候,系统是真正写到了一个新的文件中。看起来这个虚拟后的联合文件系统是可以对任何文件进行操作的,但是其实它并没有改变原来的文件。这是因为 Union File System 用到了一个重要的资源管理技术:写时复制。

写时复制(copy-on-write,常被简写为 CoW),也叫隐式共享,是一种提高资源使用效率的资源管理技术。它的思想是:如果一个资源是重复的,在没有对资源做出修改前,并不需要立即复制出一个新的资源实例,这个资源被不同的所有者共享使用。当任何一个所有者要对该资源做出修改时,复制出一个新的资源实例给该所有者进行修改,修改后的资源成为其所有者的私有资源。通过这种资源共享的方式,可以显著地减少复制相同资源带来的消耗,但是这样做也会在进行资源的修改时增加一部分开销。

创建 AUFS

我们可以通过 mount 命令手动创建 AUFS,接下来我们就用这种方式来演示 AUFS 的主要特征。

创建演示用的目录和文件 先创建一个名称为 aufs 的文件夹用作实验目录:

$ mkdir aufs

然后在 aufs 中创建名称为 mnt 的目录作为文件系统的挂载点:

$ mkdir aufs/mnt

接下来在 aufs 目录下创建 container-layer 文件夹(模拟容器的读写层),并且在文件夹中创建文件 container-layer.txt,文件的内容初始化为 "I am container layer":

$ mkdir aufs/container-layer
$ echo "I am container layer" > aufs/container-layer/container-layer.txt

最后在 aufs 目录下创建三个文件夹 image-layer1、image-layer2、image-layer3(用它们来模拟容器的镜像层)。在这三个文件夹中分别创建文件,并初始化为对应的内容:

$ mkdir aufs/{image-layer1,image-layer2,image-layer3}
$ echo "I am image layer 1" > aufs/image-layer1/image-layer1.txt
$ echo "I am image layer 2" > aufs/image-layer2/image-layer2.txt
$ echo "I am image layer 3" > aufs/image-layer3/image-layer3.txt

准备的目录和文件结构如下图所示:

创建 AUFS 文件系统 mount 是一个非常强大的命令,我们可以用它来创建 AUFS 文件系统。下面的命令把 container-layer、image-layer1、image-layer2、image-layer3 以 AUFS 的方式挂载到刚才创建的 mnt 目录下:

$ cd aufs
$ sudo mount -t aufs -o dirs=./container-layer:./image-layer1:./image-layer2:./image-layer3 none ./mnt

挂载完成后可以看到 mnt 目录下的文件结构为:

注意,在 mount 命令中我们没有指定要挂载的 4 个文件夹的权限信息,其默认行为是:dirs 指定的左边起第一个目录是 read-write 权限,后续目录都是 read-only 权限。我们可以通过下面的方式查看详情:

其中的 si_99b90cdd124201eb 目录是系统为 mnt 这个挂载点创建的,从上图中我们可以清楚的看到各个目录的挂载权限。

验证写时复制 下面让我们向 mnt/image-layer2.txt 文件中写入些数据,看看会发生什么变化?

$ echo "I changed mnt/image-layer2.txt" >> mnt/image-layer2.txt

查看 mnt/image-layer2.txt 的内容,发现已经变化了:

I am image layer 2
I changed mnt/image-layer2.txt

再去看看 image-layer2/image-layer2.txt,发现它的内容没有变化,还是:

I am image layer 2

原因在哪里呢?去 container-layer 目录下看看:

这里多了一个 image-layer2.txt 文件,其内容如下:

原来,当尝试向 mnt/image-layer2.txt 中写入文件时,系统首先在 mnt 目录下查找名为 image-layer2.txt 的文件,将其拷贝到 read-write 层的 container-layer 目录中,接着对 container-layer 目录中的 image-layer2.txt 的文件进行写操作。这个过程也就是 AUFS 的实际工作原理。

至此,我们完成了一个简单的 AUFS demo。可以看出 AUFS 的原理并不是很复杂,但是当与容器技术相结合后,就展示出来超强的魅力,并成为初代 docker 默认的存储驱动。虽然当前 docker 默认的存储驱动已经演进到了 overlay2,但是学习 AUFS 依然可以帮助我们深入理解 docker 中的文件系统。

参考: 维基百科 AUFS Linux AuFS Examples AUFS Source Code Docker Use the AUFS storage driver 《自己动手写 docker》

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