17.4　联合文件系统

联合文件系统（UnionFS）是一种轻量级的高性能分层文件系统，它支持将文件系统中的修改信息作为一次提交，并层层叠加，同时可以将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下，应用看到的是挂载的最终结果。

联合文件系统是实现Docker镜像的技术基础。Docker镜像可以通过分层来进行继承。例如，用户基于基础镜像（用来生成其他镜像的基础，往往没有父镜像）来制作各种不同的应用镜像。这些镜像共享同一个基础镜像层，提高了存储效率。此外，当用户改变了一个Docker镜像（比如升级程序到新的版本），则会创建一个新的层（layer）。因此，用户不用替换整个原镜像或者重新建立，只需要添加新层即可。用户分发镜像的时候，也只需要分发被改动的新层内容（增量部分）。这让Docker的镜像管理变得十分轻量级和快速。

1.Docker存储

Docker目前通过插件化方式支持多种文件系统后端。Debian/Ubuntu上成熟的AUFS（Another Union File System，或v2版本往后的Advanced Multilayered Unification File System），就是一种联合文件系统实现，如图17-3所示。AUFS支持为每一个成员目录（类似Git的分支）设定只读（readonly）、读写（readwrite）或写出（whiteout-able）权限，同时AUFS里有一个类似分层的概念，对只读权限的分支可以在逻辑上进行增量地修改（不影响只读部分的）。

17.4　联合文件系统 - 图1

图17-3　AUFS文件系统

Docker镜像自身就是由多个文件层组成，每一层有唯一的编号（层ID）。

可以通过docker history查看一个镜像由哪些层组成。例如查看ubuntu：14.04镜像由4层组成，每层执行了不同的命令：

  1. $ docker history ubuntu:14.04
  2. IMAGE         CREATED        CREATED BY     SIZE     COMMENT
  3. 2a274e3405ec  13 months ago  /bin/sh -c #(nop) CMD ["/bin/bash"]            0 B
  4. df697c8b1bf4  13 months ago  /bin/sh -c sed -i 's/^#\s*\(deb.*universe\)$/  1.895 kB
  5. 371166fb96e0  13 months ago  /bin/sh -c echo '#!/bin/sh' > /usr/sbin/polic  194.5 kB
  6. 69191ca023af  13 months ago  /bin/sh -c #(nop) ADD file:c8f078961a543cdefa  188.1 MB

对于Docker镜像来说，这些层的内容都是不可修改的、只读的。而当Docker利用镜像启动一个容器时，将在镜像文件系统的最顶端再挂载一个新的可读写的层给容器。容器中的内容更新将会发生在可读写层。当所操作对象位于较深的某层时，需要先复制到最上层的可读写层。当数据对象较大时，往往意味着IO性能较差。因此，一般推荐将容器修改的数据通过volume方式挂载，而不是直接修改镜像内数据。

此外，对于频繁启停Docker容器的场景下，文件系统的IO性能也将十分关键。

具体看，Docker所有的存储都在Docker目录下，以Ubuntu系统为例，默认路径是/var/lib/docker。

在这个目录下面，存储由Docker镜像和容器运行相关的文件和目录，可能包括aufs、containers、graph、image、init、linkgraph.db、network、repositories-aufs、swarm、tmp、trust、volumes等。其中，最关键的就是aufs目录，这是aufs文件系统所在，保存Docker镜像相关数据和信息。该目录该目录包括layers、diff和mnt三个子目录。1.9版本和之前的版本中，命名跟镜像层的ID是匹配的，而自1.10开始，层数据相关的文件和目录名与层ID不再匹配。

layers子目录包含层属性文件，用来保存各个镜像层的元数据：某镜像的某层下面包括哪些层。例如：某镜像由5层组成，则文件内容应该如下：

  1. # cat aufs/layers/78f4601eee00b1f770b1aecf5b6433635b99caa5c11b8858dd6c8cec03b4584f-init
  2. d2a0ecffe6fa4ef3de9646a75cc629bbd9da7eead7f767cb810f9808d6b3ecb6
  3. 29460ac934423a55802fcad24856827050697b4a9f33550bd93c82762fb6db8f
  4. b670fb0c7ecd3d2c401fbfd1fa4d7a872fbada0a4b8c2516d0be18911c6b25d6
  5. 83e4dde6b9cfddf46b75a07ec8d65ad87a748b98cf27de7d5b3298c1f3455ae4
  6. # cat aufs/layers/d2a0ecffe6fa4ef3de9646a75cc629bbd9da7eead7f767cb810f9808d6b3ecb6
  7. 29460ac934423a55802fcad24856827050697b4a9f33550bd93c82762fb6db8f
  8. b670fb0c7ecd3d2c401fbfd1fa4d7a872fbada0a4b8c2516d0be18911c6b25d6
  9. 83e4dde6b9cfddf46b75a07ec8d65ad87a748b98cf27de7d5b3298c1f3455ae4

diff子目录包含层内容子目录，用来保存所有镜像层的内容数据。例如：

  1. # ls aufs/diff/78f4601eee00b1f770b1aecf5b6433635b99caa5c11b8858dd6c8cec03b4584f-init/
  2. dev  etc

mnt子目录下面的子目录是各个容器最终的挂载点，所有相关的AUFS层在这里挂载到一起，形成最终效果。一个运行中容器的根文件系统就挂载在这下面的子目录上。同样，1.10版本之前的Docker中，子目录名和容器ID是一致的。其中，还包括容器的元数据、配置文件和运行日志等。

2.多种文件系统比较

Docker目前支持的联合文件系统种类包括AUFS、OverlayFS、btrfs、vfs、zfs和Device Mapper等。各种文件系统目前的支持情况如下：

·AUFS：最早支持的文件系统，对Debian/Ubuntu支持好，虽然没有合并到Linux内核中，但成熟度很高；

·OverlayFS：类似于AUFS，性能更好一些，已经合并到内核，未来会取代AUFS，但成熟度有待提高；

·Device Mapper：Redhat公司和Docker团队一起开发用于支持RHEL的文件系统，内核支持，性能略慢，成熟度高；

·btrfs：参考zfs等特性设计的文件系统，由Linux社区开发，试图未来取代Device Mapper，成熟度有待提高；

·vfs：基于普通文件系统（ext、nfs等）的中间层抽象，性能差，比较占用空间，成熟度也一般。

·zfs：最初设计为Solaris 10上的写时文件系统，拥有不少好的特性，但对Linux支持还不够成熟。

总结一下，AUFS和Device Mapper的应用最为广泛，支持也相对成熟，推荐生产环境考虑。长期来看，OverlayFS将可能具有更好的特性。