联合文件系统

什么是联合文件系统

联合文件系统（UnionFS）是一种分层、轻量级的文件系统，它将多个目录"联合"挂载到同一个虚拟目录，形成一个统一的文件系统视图。

核心思想：将多个只读层叠加，最上层可写，形成完整的文件系统。

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    容器看到的文件系统                    │
│    /bin  /etc  /lib  /usr  /var  /app  /data           │
└────────────────────────┬────────────────────────────────┘
                         │
         ┌───────────────┴───────────────┐
         │      UnionFS 联合挂载          │
         └───────────────┬───────────────┘
                         │
┌────────────────────────┴────────────────────────────────┐
│  容器层 (读写)     │ /app/data/log.txt (新写入)         │
├────────────────────┼────────────────────────────────────│
│  镜像层3 (只读)    │ /app/app.py                        │
├────────────────────┼────────────────────────────────────│
│  镜像层2 (只读)    │ /usr/local/bin/python              │
├────────────────────┼────────────────────────────────────│
│  镜像层1 (只读)    │ /bin /etc /lib (基础系统)          │
└────────────────────┴────────────────────────────────────┘

---

为什么 Docker 使用联合文件系统

1. 镜像分层复用

nginx:alpine          myapp:latest
     │                     │
     └────────┬────────────┘
              │
              ▼
         alpine:3.19 (共享基础层)

多个镜像共享相同的底层，节省磁盘空间。

2. 快速构建

每个 Dockerfile 指令创建一层，只有变化的层需要重建：

FROM node:20          # 层1：基础镜像
COPY package.json ./  # 层2：依赖定义
RUN npm install       # 层3：安装依赖
COPY . .              # 层4：应用代码

代码变化时，只需重建层4，层1-3 使用缓存。

3. 容器启动快

容器启动时不需要复制镜像，只需：

1. 在镜像层上创建一个薄的可写层

2. 联合挂载所有层

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Copy-on-Write（写时复制）

当容器修改只读层中的文件时：

修改前：                           修改后：
┌─────────────────────┐           ┌─────────────────────┐
│ 容器层 (空)          │           │ 容器层              │
├─────────────────────┤           │ /etc/nginx.conf  ←──┼── 复制到容器层后修改
│ 镜像层              │           ├─────────────────────┤
│ /etc/nginx.conf     │           │ 镜像层              │
└─────────────────────┘           │ /etc/nginx.conf     │ (原文件仍在，但被遮蔽)
                                  └─────────────────────┘

流程：

1. 从只读层读取文件

2. 复制到容器的可写层

3. 在可写层中修改

4. 后续读取使用可写层的版本

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Docker 支持的存储驱动

Docker 可使用多种联合文件系统实现：

存储驱动	说明	推荐程度
overlay2	现代 Linux 默认驱动，性能优秀	✅ 推荐
aufs	早期默认，兼容性好	遗留系统
btrfs	使用 Btrfs 子卷	特定场景
zfs	使用 ZFS 数据集	特定场景
devicemapper	块设备级存储	遗留系统
vfs	不使用 CoW，每层完整复制	仅测试

各发行版推荐

Linux 发行版	推荐存储驱动
Ubuntu 16.04+	overlay2
Debian Stretch+	overlay2
CentOS 7+	overlay2
RHEL 8+	overlay2
Fedora	overlay2

查看当前存储驱动

$ docker info | grep "Storage Driver"
Storage Driver: overlay2

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overlay2 工作原理

overlay2 是目前最推荐的存储驱动：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    merged（合并视图）                        │
│    容器看到的完整文件系统                                    │
└─────────────────────────┬───────────────────────────────────┘
                          │
          ┌───────────────┴───────────────┐
          │         OverlayFS             │
          └───────────────┬───────────────┘
                          │
         ┌────────────────┼────────────────┐
         ▼                ▼                ▼
┌─────────────┐   ┌─────────────┐   ┌─────────────┐
│   upper     │   │   lower2    │   │   lower1    │
│  (容器层)   │   │  (镜像层)   │   │  (基础层)   │
│   读写      │   │   只读      │   │   只读      │
└─────────────┘   └─────────────┘   └─────────────┘

• lowerdir：只读的镜像层（可以有多个）

• upperdir：可写的容器层

• workdir：OverlayFS 的工作目录

• merged：联合挂载后的视图

文件操作行为

操作	行为
读取	从上到下查找第一个匹配的文件
创建	在 upper 层创建
修改	如果在 lower 层，先复制到 upper 层再修改
删除	在 upper 层创建 whiteout 文件标记删除

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查看镜像层

# 查看镜像的层信息
$ docker history nginx:alpine
IMAGE          CREATED       CREATED BY                                      SIZE
a6eb2a334a9f   2 weeks ago   CMD ["nginx" "-g" "daemon off;"]                0B
<missing>      2 weeks ago   STOPSIGNAL SIGQUIT                              0B
<missing>      2 weeks ago   EXPOSE map[80/tcp:{}]                           0B
<missing>      2 weeks ago   ENTRYPOINT ["/docker-entrypoint.sh"]            0B
<missing>      2 weeks ago   COPY 30-tune-worker-processes.sh /docker-ent…   4.62kB
...

# 查看层的存储位置
$ docker inspect nginx:alpine --format '{{json .GraphDriver.Data}}' | jq
{
  "LowerDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../diff:/var/lib/docker/overlay2/.../diff",
  "MergedDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../merged",
  "UpperDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../diff",
  "WorkDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../work"
}

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最佳实践

1. 减少镜像层数

# ❌ 每条命令创建一层
RUN apt-get update
RUN apt-get install -y nginx
RUN rm -rf /var/lib/apt/lists/*

# ✅ 合并为一层
RUN apt-get update && \
    apt-get install -y nginx && \
    rm -rf /var/lib/apt/lists/*

2. 避免在容器中写入大量数据

容器层的写入性能低于直接写入。大量数据应使用：

• 数据卷（Volume）

• 绑定挂载（Bind Mount）

3. 使用 .dockerignore

排除不需要的文件可以：

• 减小构建上下文

• 避免创建不必要的层

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本章小结

概念	说明
UnionFS	将多层目录联合挂载为一个文件系统
Copy-on-Write	写时复制，修改时才复制到可写层
overlay2	Docker 默认推荐的存储驱动
分层好处	镜像复用、快速构建、快速启动

延伸阅读

• 镜像：理解镜像分层

• 容器：容器存储层

• 构建镜像：Dockerfile 层的创建