Linux overlayfs文件系統(tǒng)概述

OverlayFS，顧名思義是一種堆疊文件系統(tǒng)，可以將多個(gè)目錄的內(nèi)容疊加到另一個(gè)目錄上。OverlayFS并不直接涉及磁盤空間結(jié)構(gòu)，看起來像是將多個(gè)目錄的文件按照規(guī)則合并到同一個(gè)目錄。且對(duì)多個(gè)源目錄具體使用文件系統(tǒng)類型沒有要求，即使各個(gè)源目錄的文件系統(tǒng)類型不同也不影響使用。

一、掛載OverlayFS

下面就讓我們來看看如何掛載一個(gè)OverlayFS文件系統(tǒng)：

mount-t overlay -o lowerdir=/lower，upperdir=/upper，workdir=/work overlay /merged

上面的命令可以將“l(fā)owerdir”和“upper”目錄堆疊到/merged目錄，“workdir”工作目錄要求是和“upperdir”目錄同一類型文件系統(tǒng)的空目錄。

也可以省略u(píng)pperdir和workdir參數(shù)，但/merged為只讀屬性了：

mount-t overlay -o lowerdir=/upper:/lower overlay /merged

也可支持多l(xiāng)owerdir目錄堆疊：

mount-t overlay -o lowerdir=/lower1:/lower2:/lower3，upperdir=/upper，workdir=/workoverlay /merged

lowerdir的多層目錄使用“：”分隔開，其中層級(jí)關(guān)系為/lower1》 /lower2 》 /lower3。

在使用如上mount進(jìn)行OverlayFS合并之后，遵循如下規(guī)則：? lowerdir和upperdir兩個(gè)目錄存在同名文件時(shí)，lowerdir的文件將會(huì)被隱藏，用戶只能看到upperdir的文件。

? lowerdir低優(yōu)先級(jí)的同目錄同名文件將會(huì)被隱藏。? 如果存在同名目錄，那么lowerdir和upperdir目錄中的內(nèi)容將會(huì)合并。

? 當(dāng)用戶修改mergedir中來自u(píng)pperdir的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)將直接寫入upperdir中原來目錄中，刪除文件也同理。

? 當(dāng)用戶修改mergedir中來自lowerdir的數(shù)據(jù)時(shí)，lowerdir中內(nèi)容均不會(huì)發(fā)生任何改變。因?yàn)閘owerdir是只讀的，用戶想修改來自lowerdir數(shù)據(jù)時(shí)，overlayfs會(huì)首先拷貝一份lowerdir中文件副本到upperdir中（這也被稱作OverlayFS的copy-up特性）。后續(xù)修改或刪除將會(huì)在upperdir下的副本中進(jìn)行，lowerdir中原文件將會(huì)被隱藏。

? 如果某一個(gè)目錄單純來自lowerdir或者lowerdir和upperdir合并，默認(rèn)無法進(jìn)行rename系統(tǒng)調(diào)用。但是可以通過mv重命名。如果要支持rename，需要CONFIG_OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR。

一般lowerdir為只讀文件系統(tǒng)，upperdir為可寫文件系統(tǒng)，這形成了一個(gè)有趣的機(jī)制，似乎我們可以修改lowerdir下的文件或目錄，lowerdir看上去變成了一個(gè)可讀寫的文件系統(tǒng)。

二、刪除文件和目錄

為了支持rm和rmdir而又不修改lower文件系統(tǒng)，需要在upper文件系統(tǒng)中記錄文件或目錄已經(jīng)被刪除。OverlayFS引入了whiteout文件的概念。如果需要?jiǎng)h除lower層的文件或目錄，需要在upper層創(chuàng)建一個(gè)whiteout文件。

可以看到刪除merged目錄下的文件或目錄后，在upper層新建了aa、bb、dir三個(gè)whiteout文件，whiteout文件不是普通文件，而是主/次設(shè)備號(hào)都是0的字符設(shè)備。只存在于upper的文件cc直接刪除就可以了。

三、創(chuàng)建文件和目錄

創(chuàng)建操作與刪除操作類似，都是在upper層進(jìn)行修改。創(chuàng)建文件直接在upper層新增文件即可，如果upper層存在對(duì)應(yīng)的whiteout文件，先刪除whiteout文件再創(chuàng)建文件。創(chuàng)建目錄與創(chuàng)建文件類似，區(qū)別在于upper層存在whiteout文件時(shí)，刪掉whiteout文件創(chuàng)建目錄，如果就此結(jié)束，lower層對(duì)應(yīng)目錄（因?yàn)橛衱hiteout文件）的文件就被顯示到merged目錄了，所以還需要將目錄的“trusted.overlay.opaque”屬性設(shè)為“y”（所以這也就需要upper層所在的文件系統(tǒng)支持xattr擴(kuò)展屬性），OverlayFS在讀取上下層存在同名目錄的目錄項(xiàng)時(shí)，如果upper層的目錄被設(shè)置了opaque屬性，它將忽略這個(gè)目錄下層的所有同名目錄中的目錄項(xiàng)，以保證新建的目錄是一個(gè)空的目錄。

四、rename目錄

當(dāng)我們想重命名一個(gè)在lower層的目錄，OverlayFS有兩種處理方式：

1. 返回EXDEV錯(cuò)誤碼：rename系統(tǒng)調(diào)用試圖穿過文件系統(tǒng)邊界移動(dòng)一個(gè)文件或目錄時(shí)返回這個(gè)錯(cuò)誤。這個(gè)是默認(rèn)行為。

2. 當(dāng)使能“redirect_dir”特性后，rename操作成功，在upper層產(chǎn)生一個(gè)副本目錄。

有以下幾種方式控制“redirect_dir”特性：

1. KernelConfig Options：

? OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR

? OVERLAY_FS_REDIRECT_ALWAYS_FOLLOW

使能后，redirect_dir特性默認(rèn)打開。

2. sys文件系統(tǒng)：

參照KernelConfig設(shè)置：

/sys/module/overlay/parameters/redirect_dir

/sys/module/overlay/parameters/redirect_always_follow

/sys/module/overlay/parameters/redirect_max

3. MountOptions：

redirect_dir=on/off/follow/nofollow

五、Android中的應(yīng)用

OverlayFS文件系統(tǒng)可以類似達(dá)到把只讀文件系統(tǒng)改為可寫文件系統(tǒng)的效果，這一特性在Android開發(fā)的場(chǎng)景下得到應(yīng)用，userdebug模式下我們adbremount后似乎就可以往/system/目錄下push內(nèi)容了，查看remount前后的mount信息，可以看到/system/目錄被重新掛載成可讀寫的OverlayFS文件系統(tǒng)了：

remount前：

remount后：

重啟：

system、vendor、product等目錄是以ext4文件系統(tǒng)方式掛載的，remount后以O(shè)verlayFS掛載，之后重啟也會(huì)以O(shè)verlayFS方式掛載，以使之前的修改生效。

system和vendor等的upperdir都在/cache可寫文件系統(tǒng)中，往/system目錄push東西實(shí)際上都存放在/cache/overlay/system/upper目錄中了。實(shí)際的system分區(qū)并沒有被修改，修改的文件全部存放在cache分區(qū)了。

OverlayFS也被應(yīng)用在把多個(gè)不同分區(qū)的目錄堆疊到一個(gè)目錄下面，可以更好做到軟件系統(tǒng)的組件解耦，不同特性的組件內(nèi)容分別放到不同分區(qū)，最后通過OverlayFS堆疊到一個(gè)目錄下，提升軟件的可維護(hù)性。

六、小結(jié)

OverlayFS以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正得到越來越廣泛的應(yīng)用，Androiduserdebug/eng模式中使用其實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)分區(qū)的修改。OpenWRT系統(tǒng)也利用OverlayFS減少擦寫閃存的次數(shù)，延長閃存的使用壽命。OverlayFS更多的應(yīng)用在云平臺(tái)的容器鏡像，基礎(chǔ)的容器鏡像通常不應(yīng)被改變，新功能疊加可以通過OverlayFS實(shí)現(xiàn)且可以再次分發(fā)。

參考文獻(xiàn)

1. https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/overlayfs.html

2. https://blog.csdn.net/luckyapple1028/article/details/78075358

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