CentOS Overlay技术原理是什么

CentOS Overlay技术原理

一 概念与定位

• 在CentOS环境中，Overlay通常指OverlayFS（联合文件系统），用于把多个目录/文件系统层叠为一个统一的merged视图。它依赖Linux VFS在内核态完成层的合并与分发，常见于容器镜像分层与运行时可写层叠加。主流内核自3.18起已合入并稳定支持，容器生态（如 Docker/Containerd）广泛采用。OverlayFS具备写时复制（Copy-on-Write, CoW）、层共享、视图统一等特性，既节省存储又便于快速分发与回滚。

二 核心组成与合并规则

• 组成目录
  • lowerdir：只读层（可多层，按顺序从低到高叠加，如 lower1:lower2:lower3）。
  • upperdir：可写层，所有修改落在此处。
  • workdir：工作目录，必须与 upperdir 位于同一文件系统，且为空，供内核内部元数据操作使用。
  • merged：合并视图，呈现给用户的最终目录。
• 合并与可见性规则
  • 读取：先在upperdir查找，未命中再按lowerdir自左向右查找。
  • 同名文件：以upperdir为准，隐藏 lower 层同名文件。
  • 同名目录：内容合并呈现。
  • 删除：对来自 lower 的文件/目录，在 upper 中创建whiteout（特殊字符设备，主次设备号均为0）以“隐藏”之；删除目录时设置opaque属性以阻止与 lower 继续合并。
  • 重命名：跨层或跨分支的 rename 默认受限，需内核启用CONFIG_OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR才支持重定向。

三 读写与删除的工作机制

• 写时复制 CoW
  • 修改来自 lower 的文件时，OverlayFS会将该文件完整拷贝到 upper 后再修改（对用户透明）；若底层文件系统支持reflink（如 XFS），可显著降低拷贝开销。
• 删除与 Whiteout
  • 删除 lower 层文件：在 upper 生成whiteout，merged 视图中表现为“已删除”，但 lower 层数据不被破坏。
  • 删除 lower 层目录：在 upper 设置opaque目录属性，使该目录不再与 lower 同名目录合并。
• 性能要点
  • 读多写少、共享层多的场景收益显著；对大文件改写或海量小文件改写会触发拷贝，可能成为瓶颈（reflink 可缓解）。

四 容器中的典型挂载形态

• 容器镜像分层：镜像各只读层作为lowerdir（可多层），容器运行时可写层为upperdir，merged作为容器的 rootfs。
• 实际挂载示例（containerd 场景）
  • mount 信息中可见：lowerdir 指向多个只读快照层，upperdir 指向可写快照层，workdir 为其工作目录；merged 作为容器根文件系统挂载点。
  • 示例（简化展示）：
    • lowerdir=/snapshots/20/fs:/snapshots/19/fs:…
    • upperdir=/snapshots/22/fs
    • workdir=/snapshots/22/work
    • merged=/run/containerd/…/rootfs

五 快速上手与最小示例

• 准备目录
  • mkdir -p /mnt/overlay/{lower,upper,work,merged}
• 挂载命令
  • mount -t overlay overlay
    -o lowerdir=/mnt/overlay/lower,
    upperdir=/mnt/overlay/upper,
    workdir=/mnt/overlay/work
    /mnt/overlay/merged
• 验证与持久化
  • df -h /mnt/overlay/merged 查看类型为 overlay
  • /etc/fstab 追加：
    • overlay /mnt/overlay/merged overlay defaults,lowerdir=/mnt/overlay/lower,upperdir=/mnt/overlay/upper,workdir=/mnt/overlay/work 0 0
• 行为验证
  • 在 merged 中修改来自 lower 的文件，会在 upper 生成副本；删除 lower 文件会在 upper 生成 whiteout。