Linux的OverlayFS思想挺巧妙,用于Docker 镜像分层、嵌入式固件还原~

大家好，我是情报小哥~

今天为大伙儿聊一个 Linux 里非常实用的技术点：OverlayFS 联合文件系统。

说实话，你大概率已经用过它了，只是你自己不知道而已。

但凡你跑过 Docker 容器、玩过嵌入式 Linux 固件，或者用过 Live CD，背后都站着 OverlayFS 这个"幕后玩家"。

一、现象 

比如说你有一份重要的工程代码，放在 /opt/project 目录下。

现在做个实验：改几行代码测试一下，但绝对不能动原始文件。

这简单，cp -r 复制一份呗~

但如果这个目录有 2GB 呢？复制一份就要占用额外的 2GB 磁盘。很蠢对吧？

有没有一种办法：看起来你拥有了一份完整的、可以随意修改的副本，但实际上不占用额外空间？

有，这就是 OverlayFS 的核心思想。

二、OverlayFS 到底是什么？

OverlayFS 是一种 Linux 联合文件系统（Union Filesystem），它把多个目录"叠加"在一起，对外呈现为一个统一的目录。

底层不变，上层记录修改。这就是 OverlayFS。

Linux 内核从 3.18 版本开始正式合入了 OverlayFS，到现在十多年了，稳定性没得说。

三、三层模型：lower、upper、merged

OverlayFS 的文件系统结构，就三个角色：

看这张图：

merged 目录是你实际 cd、ls、vim 操作的地方。

至于你修改的内容最终落到 upperdir 还是 lowerdir，内核帮你搞定了，你完全不用管。

四、写时复制（Copy-on-Write）

OverlayFS 最核心的设计，就是这个 Copy-on-Write（写时复制） 机制。也就是你不改，我不拷；你要改，我先拷再改。比如有四种操作：

4.1 读文件

读一个文件时，内核先看 upperdir 里有没有。有，就读 upperdir 的；没有，就读 lowerdir 的。

逻辑很简单：上层优先。

4.2 新建文件

这个最简单，直接在 upperdir 里创建新文件就行。lowerdir 完全不受影响。

4.3 修改已有文件

这是 Copy-on-Write 的精髓所在。

假设 lowerdir 里有个文件 hello.txt，内容是 "Hello World"。

你现在 echo "Modified" > merged/hello.txt。

内核的处理流程是：

1. 发现 lowerdir 的 hello.txt 要被修改
2. 先把整个文件复制到 upperdir（这叫 "copy-up"）
3. 然后在 upperdir 的副本上执行修改
4. lowerdir 里的原始 hello.txt 纹丝不动

修改的代价是文件的一次完整拷贝。

面试经常问：OverlayFS 修改大文件的开销有多大？

其实第一次修改时，整个文件要从 lowerdir 拷到 upperdir。文件越大，第一次写的延迟越高。

4.4 删除文件

lowerdir 里的文件是只读的，你没法真的"删掉"它。

那 OverlayFS 怎么让你在 merged 目录里看不到被删的文件呢？

内核在 upperdir 里创建一个特殊的字符设备文件（主设备号 0，次设备号 0），名字跟原文件一样，这就是 whiteout。

当你在 merged 目录里 ls 时，内核看到 upperdir 里有这个 whiteout 文件，就知道"哦，这个文件被删了"，于是在 merged 中屏蔽掉 lowerdir 对应的文件。比如:

# 在 merged 中删除一个 lowerdir 的文件rm merged/test.txt# 然后去 upperdir 看看，会发现一个同名的特殊文件ls -la upperdir/# c--------- 1 root root 0, 0 Jul  2 10:00 test.txt

文件类型是 c（字符设备），这就是 whiteout。

五、跑一个 OverlayFS

5.1 准备目录结构

# 创建实验目录mkdir -p /tmp/overlay-test/{lower,upper,work,merged}# 在 lowerdir 中放点东西echo"I am in lowerdir" > /tmp/overlay-test/lower/original.txtecho"I am also in lowerdir" > /tmp/overlay-test/lower/shared.txtmkdir /tmp/overlay-test/lower/subdirecho"deep file" > /tmp/overlay-test/lower/subdir/deep.txt

现在的目录结构：

/tmp/overlay-test/├── lower/│   ├── original.txt│   ├── shared.txt│   └── subdir/│       └── deep.txt├── upper/        (空)├── work/         (空)└── merged/       (空，即将作为挂载点)

5.2 挂载

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

参数解释：

• -t overlay：指定文件系统类型
• 第一个 overlay：设备名（OverlayFS 不需要真实设备，随便写个名字）
• -o：挂载选项，lowerdir/upperdir/workdir 三个参数搞定
• 最后一个参数：挂载目标目录

六、多个 lowerdir 的叠加玩法

OverlayFS 支持多个下层目录，用冒号 : 分隔：

mount -t overlay overlay \  -o lowerdir=/layerA:/layerB:/layerC,upperdir=/upper,workdir=/work \  /merged

注意：最左边优先级最高！

查找顺序是：upperdir → /layerA → /layerB → /layerC

这个特性有什么用？举个例子：

# 项目基础环境（layerC）# ├── 操作系统基础库# 项目依赖（layerB）# ├── 第三方库# 项目代码（layerA）# ├── 你写的代码mount -t overlay overlay \  -o lowerdir=/project-code:/dependencies:/base-os,upperdir=/upper,workdir=/work \  /merged

多层叠加，各管各的，互不干扰。Docker 镜像的分层存储，玩的就是这个。

七、应用场景一：Docker 镜像分层

这是 OverlayFS 最有用的，没有之一。

Docker 镜像由多个只读层（layer）堆叠而成，每个 Dockerfile 指令生成一层：

容器层 (upperdir, 可读写)    ↑ 你在容器里写的所有东西═══════════════════════════════镜像层 3: RUN apt install nginx     ┐镜像层 2: COPY app /app             ├ 全部只读 (lowerdir)镜像层 1: FROM ubuntu:22.04         ┘

当你 docker run 一个容器时：

1. Docker 把镜像的所有 layer 作为 lowerdir
2. 为容器创建一个 thin writable layer 作为 upperdir
3. OverlayFS 把两层叠加，容器里看到的就是完整 rootfs

有两个好处：

省磁盘：同一台机器上跑 10 个 nginx 容器，它们共享同一套基础镜像层，只有各自的 thin layer 是独立的。

# 查看 Docker 使用的存储驱动docker info | grep "Storage Driver"# Storage Driver: overlay2

启动快：不需要真的"复制"一个 rootfs，只是 mount 一下。这也是容器为什么可以秒级启动的核心原因之一。

关于 overlay2

现在 Docker 默认用的是 overlay2，它是 OverlayFS 的改进版本。

相比初代 overlay，overlay2 主要解决了 inode 耗尽 的问题——初代 overlay 中每个文件在 upperdir 和 lowerdir 各消耗一个 inode，overlay2 通过多层 lowerdir 的方式把这个问题解决了。

八、应用场景二：嵌入式固件"出厂还原"

做嵌入式 Linux 的小伙伴，这个场景应该很亲切。

很多嵌入式设备的 rootfs 用 SquashFS（一种压缩的只读文件系统），然后叠加一层 tmpfs 或者 JFFS2 作为可写层：

# 嵌入式设备启动脚本示例mount -t squashfs /dev/mtdblock0 /rom  # 只读 rootfsmount -t tmpfs tmpfs /overlay_upper     # 内存文件系统，可写mkdir -p /overlay_workmount -t overlay overlay \  -o lowerdir=/rom,upperdir=/overlay_upper,workdir=/overlay_work \  /

• 系统运行时的所有修改（日志、临时文件、配置变更）都在 内存 里
• 设备断电重启 → 一切回到出厂状态

这就是所谓的 "不死系统"，怎么折腾都搞不坏。路由器、工业控制设备特别喜欢这么干。

如果你用 Buildroot 或者 Yocto 构建嵌入式 Linux，这个机制基本上都会用到。

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