【Docker基础】Docker核心概念：联合文件系统（Union FS）详解

目录

引言

[1 联合文件系统（Union FS）基础概念](#1 联合文件系统（Union FS）基础概念)

[1.1 联合文件系统的定义](#1.1 联合文件系统的定义)

[1.2 联合文件系统的特点](#1.2 联合文件系统的特点)

[2 联合文件系统在Docker中的应用](#2 联合文件系统在Docker中的应用)

[2.1 Docker镜像的分层结构](#2.1 Docker镜像的分层结构)

[2.2 联合文件系统在镜像构建中的作用](#2.2 联合文件系统在镜像构建中的作用)

[2.3 联合文件系统在容器启动中的作用](#2.3 联合文件系统在容器启动中的作用)

[3 联合文件系统的实现方式](#3 联合文件系统的实现方式)

[4 联合文件系统的关键技术：写时复制（CoW）](#4 联合文件系统的关键技术：写时复制（CoW）)

[4.1 写时复制的概念](#4.1 写时复制的概念)

[4.2 写时复制在联合文件系统中的工作原理](#4.2 写时复制在联合文件系统中的工作原理)

[5 联合文件系统的实现类型](#5 联合文件系统的实现类型)

[5.1 AUFS（Advanced Multi-Layered Unification Filesystem）](#5.1 AUFS（Advanced Multi-Layered Unification Filesystem）)

[5.2 OverlayFS](#5.2 OverlayFS)

[5.3 Devicemapper](#5.3 Devicemapper)

[5.4 Btrfs和ZFS](#5.4 Btrfs和ZFS)

[6 联合文件系统在Docker中的优势与挑战](#6 联合文件系统在Docker中的优势与挑战)

[6.1 优势](#6.1 优势)

[6.2 挑战](#6.2 挑战)

[7 总结](#7 总结)

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引言

在容器化技术中，Docker凭借其轻量级、快速部署和资源隔离等优势，成为了应用部署和管理的首选方案。而联合文件系统（Union File System，简称Union FS）作为Docker实现镜像分层和容器快速启动的核心技术之一，对于理解Docker的工作原理和优势至关重要。

1 联合文件系统（Union FS）基础概念

1.1 联合文件系统的定义

**联合文件系统（Union FS）**是一种将多个文件系统或目录挂载到同一个挂载点的技术，使得这些文件系统或目录的内容可以合并成一个统一的视图。
当用户访问联合挂载点时，看到的是各个文件系统或目录内容的合并结果，而无需关心这些内容实际存储在哪些文件系统或目录中。

1.2 联合文件系统的特点

• 分层存储：允许将多个文件系统或目录按层次结构组织起来，形成分层存储的效果
• 写时复制（Copy-on-Write, CoW）：当需要修改某个文件时，联合文件系统会先复制该文件到新的层，然后在新的层上进行修改，而不是直接修改原文件，这种机制保证了原文件系统的不可变性，同时提高了文件修改的效率
• 高效合并：通过智能的合并算法，联合文件系统能够高效地合并多个文件系统或目录的内容，减少存储空间的占用

2 联合文件系统在Docker中的应用

2.1 Docker镜像的分层结构

Docker镜像由多个只读层组成，每个层代表一个文件系统的变更，这些层通过联合文件系统技术合并成一个统一的文件系统视图，供容器使用。
当容器启动时，Docker会在镜像的最上层添加一个可写的容器层，用于存储容器运行过程中产生的数据。

2.2 联合文件系统在镜像构建中的作用

在构建Docker镜像时，每个 RUN、 COPY、 ADD等指令都会创建一个新的镜像层，这些层通过联合文件系统技术合并起来，形成一个完整的镜像。
这种分层存储机制使得镜像的构建过程更加高效，因为每个层只需要存储与前一层相比的变更部分。

# docker build 构建镜像示例 
docker build -t my-image . 
# dockerhistory 查看镜像的分层信息 
docker history my-image

2.3 联合文件系统在容器启动中的作用

当容器启动时，Docker会将镜像的所有只读层和容器层通过联合文件系统技术合并成一个统一的文件系统视图。
容器内的进程可以像访问普通文件系统一样访问这个合并后的文件系统视图，而无需关心这些层是如何组织的。

3 联合文件系统的实现方式

• Docker镜像：Docker镜像由多个只读层组成，包括基础层（Base Layer）和多个变更层（Layer 1, Layer 2, ..., Layer N）
• 容器：容器基于Docker镜像创建，并在镜像的最上层添加一个可写的容器层（Container Layer）
• 联合文件系统：联合文件系统负责将镜像的所有只读层和容器层合并成一个统一的文件系统视图
• 容器文件系统视图：容器内的进程通过容器文件系统视图访问合并后的文件系统内容

4 联合文件系统的关键技术：写时复制（CoW）

4.1 写时复制的概念

写时复制（Copy-on-Write, CoW）是一种优化技术，它允许在修改数据时延迟复制操作，直到真正需要修改时才进行复制。
在联合文件系统中，写时复制机制用于保证镜像层的不可变性，同时提高文件修改的效率。

4.2 写时复制在联合文件系统中的工作原理

• 读取操作：当容器内的进程读取文件时，联合文件系统会从最上层的容器层开始查找文件，如果文件不存在于容器层，则会继续向下查找，直到找到该文件或遍历完所有层
• 写入操作：当容器内的进程需要修改文件时，联合文件系统会先检查该文件是否存在于容器层，如果文件不存在于容器层，则会从镜像层中复制该文件到容器层，然后在容器层上进行修改，如果文件已经存在于容器层，则直接在容器层上进行修改

5 联合文件系统的实现类型

5.1 AUFS（Advanced Multi-Layered Unification Filesystem）

AUFS是早期Docker使用的联合文件系统实现之一，它支持多层存储和写时复制机制。
然而，AUFS在Linux内核中的支持并不广泛，且性能在某些场景下可能不如其他实现。

5.2 OverlayFS

OverlayFS是Linux内核中一种更现代的联合文件系统实现，它支持多层存储、写时复制和高效的合并算法。
OverlayFS在性能和稳定性方面表现优异，成为了当前Docker默认使用的联合文件系统实现。

# 查看Docker默认使用的存储驱动
[root@node1 ~]# docker info | grep "Storage Driver"
 Storage Driver: overlay2
[root@node1 ~]# 

5.3 Devicemapper

Devicemapper是另一种在Docker中使用的存储驱动，它基于设备映射器（Device Mapper）技术实现，虽然Devicemapper也支持分层存储和写时复制机制，但它在某些场景下的性能可能不如OverlayFS。

5.4 Btrfs和ZFS

Btrfs和ZFS是两种支持联合文件系统功能的文件系统，它们提供了高级的数据管理和保护功能。然而，由于它们对内核版本和硬件配置的要求较高，因此在Docker中的使用并不广泛。

6 联合文件系统在Docker中的优势与挑战

6.1 优势

• 镜像分层：通过分层存储机制，使得镜像的构建和分发更加高效
• 快速启动：容器启动时只需要加载镜像层和容器层，无需复制整个文件系统，提高了启动速度
• 资源隔离：通过联合文件系统技术，实现了容器与宿主机、容器与容器之间的文件系统隔离

6.2 挑战

• 性能开销：虽然联合文件系统通过写时复制机制提高了文件修改的效率，但在某些高频写入场景下，仍然可能带来一定的性能开销
• 存储管理：随着镜像和容器的增多，存储管理变得更加复杂，需要合理规划存储空间、定期清理无用镜像和容器等
• 兼容性：不同的联合文件系统实现可能在性能和功能上存在差异，需要确保Docker版本和存储驱动的兼容性

7 总结

联合文件系统（Union FS）作为Docker实现镜像分层和容器快速启动的核心技术之一，通过分层存储和写时复制机制，为Docker提供了高效、灵活和安全的文件系统管理方案。