docker 是操作系统层的虚拟化,所以 docker 镜像的本质是在模拟操作系统。
联合文件系统(UnionFS)
联合文件系统(UnionFS) 是Docker镜像实现分层存储的核心技术,它通过将多个只读层(Image Layers)和一个可写层(Container Layer)叠加,形成一个虚拟的、统一的文件系统。
核心概念
分层存储:
- Docker镜像由多个只读层组成,每一层对应一个构建步骤(如RUN、COPY指令)。
- 这些层通过UnionFS叠加在一起,形成一个逻辑上的完整文件系统。
只读层与可写层:
- 只读层:镜像的每一层都是只读的,确保了镜像的一致性和不可变性。
- 可写层:当容器启动时,Docker会在镜像的只读层之上添加一个可写的容器层,用于记录容器的文件修改。
共享与复用:
- 多个容器可以共享同一个镜像的只读层,节省存储空间。
- 不同容器之间的可写层相互隔离,互不影响。
工作原理
文件系统的叠加:
- UnionFS将多个只读层和一个可写层按照顺序叠加,形成一个统一的视图。
- 当访问文件时,UnionFS会从顶层开始查找,直到找到目标文件为止。
写时复制(Copy-on-Write, CoW):
-== 如果容器需要修改只读层中的文件,UnionFS会先在可写层中创建一个该文件的副本,然后对副本进行修改==。
- 这种机制避免了直接修改只读层,确保了镜像的不可变性。
透明性:
- 对于用户来说,UnionFS提供的文件系统视图是透明的,用户无需关心文件的实际存储位置。
实现方式
常见实现:
- AUFS:早期Docker使用的UnionFS实现,但已逐渐被其他实现取代。
- OverlayFS:现代Linux内核中广泛使用的UnionFS实现,性能更优。
- Btrfs、ZFS:其他支持UnionFS的文件系统,但使用较少。
OverlayFS的分层结构:
- LowerDir:镜像的只读层,由多个目录组成。
- UpperDir:容器的可写层。
- WorkDir:用于存储OverlayFS的临时数据。
- MergedDir:最终呈现给容器的统一文件系统视图。
在Docker中的应用场景
镜像构建:
- Docker通过UnionFS将多个构建步骤的层叠加,形成一个完整的镜像。
- 每个层都可以被其他镜像共享,减少了存储空间的占用。
容器运行:
- 容器启动时,Docker会在镜像的只读层之上添加一个可写层,用于记录容器的文件修改。
- 这种设计使得容器可以快速启动,并且多个容器可以共享同一个镜像。
镜像分发:
由于镜像的层是共享的,Docker在分发镜像时只需要传输新增的层,大大减少了网络带宽的占用。
UnionFS的优势
存储效率:
- 通过共享层,减少了存储空间的占用。
- 写时复制机制避免了重复的数据复制。
性能优化:
- OverlayFS等现代UnionFS实现具有较高的性能,能够满足容器化应用的需求。
灵活性:
- 支持动态添加和删除层,方便镜像的管理和更新。
Docker分层存储机制
Docker分层存储机制是Docker镜像构建与运行的核心技术,通过将镜像和容器的数据存储在多个独立的层中,实现了高效、灵活的镜像管理和容器运行。
基本概念
镜像层(Image Layer)
- Docker镜像由多个只读层组成,每一层对应一个构建步骤(如RUN、COPY、ADD指令)。
- 这些层通过
联合文件系统(UnionFS)
技术叠加,形成一个逻辑上的完整文件系统。 - 每个层只存储与前一层相比的增量变化,避免重复数据存储。
容器层(Container Layer)
- 当容器启动时,Docker会在镜像的只读层之上添加一个可写的容器层。
- 容器运行时的所有修改(如文件创建、修改、删除)都记录在容器层中,不会影响镜像层。
工作原理
镜像构建
- 构建镜像时,每执行一条Dockerfile指令,都会生成一个新的镜像层。
- 例如,执行RUN apt-get update && apt-get install -y nginx会在基础镜像层之上新增一层,记录安装的Nginx软件包。
容器运行
- 容器启动时,Docker会将镜像的只读层与容器层联合挂载,形成一个可读写的文件系统视图。
- 容器层是临时的,当容器停止或删除时,容器层的修改会丢失(除非通过卷或绑定挂载持久化数据)。
写时复制(Copy-on-Write, CoW)
- 当容器需要修改只读层中的文件时,Docker会将该文件复制到容器层,然后在容器层中进行修改。
- 这种机制保证了镜像层的不可变性,同时提高了容器启动速度。
分层存储的优势
镜像复用与共享
- 多个容器可以共享同一个镜像的只读层,减少存储空间占用。
- 例如,多个基于同一基础镜像构建的应用镜像可以共享基础镜像层。
高效构建与部署
- 镜像构建时,Docker会利用缓存机制。如果某一层的内容没有变化,Docker会直接使用缓存的层,而不需要重新构建。
- 镜像的分层存储使得镜像的传输和存储更加高效。
版本控制与回滚
- 每一层的变化都可以被追踪,开发者可以轻松地回滚到之前的版本,或者在不同版本之间切换。
快速启动 - 由于容器启动时只需添加一个轻量级的可写层,而不是重新创建整个文件系统,因此容器启动速度非常快。
实现细节
层标识符(Layer ID)
- 每个镜像层都有一个唯一的标识符,用于在不同的镜像之间共享。
存储驱动(Storage Driver)
- Docker支持多种存储驱动,如AUFS、OverlayFS、Device Mapper等,这些驱动都实现了分层存储的机制。
例如,OverlayFS是现代Linux系统中广泛使用的存储驱动,性能更优。
层的内容
- 每一层包含了文件系统的变化,例如添加、删除或修改的文件。这些变化以增量方式存储,只有发生变化的部分会被存储。
镜像分层存储实战
先拉取镜像
docker pull nginx:1.21.1
通过 docker image history
查看如下
root@VM-8-12-ubuntu:/data/ahri# docker history nginx:1.21.1
IMAGE CREATED CREATED BY SIZE COMMENT
822b7ec2aaf2 3 years ago /bin/sh -c #(nop) CMD ["nginx" "-g" "daemon… 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) STOPSIGNAL SIGQUIT 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) EXPOSE 80 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) ENTRYPOINT ["/docker-entr… 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) COPY file:09a214a3e07c919a… 4.61kB
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) COPY file:0fd5fca330dcd6a7… 1.04kB
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) COPY file:0b866ff3fc1ef5b0… 1.96kB
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) COPY file:65504f71f5855ca0… 1.2kB
<missing> 3 years ago /bin/sh -c set -x && addgroup --system -… 63.9MB
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) ENV PKG_RELEASE=1~buster 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) ENV NJS_VERSION=0.6.1 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) ENV NGINX_VERSION=1.21.1 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) LABEL maintainer=NGINX Do… 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) CMD ["bash"] 0B
<missing> 3 years ago /bin/sh -c #(nop) ADD file:4ff85d9f6aa246746… 69.3MB
可以看到 dockerfile 和做出来的镜像是对应的,而且不是每一层都占用空间的。
我们再通过inspect
命令查看该镜像的存储位置。
root@VM-8-12-ubuntu:/data/ahri# docker image inspect nginx:1.21.1
[{"GraphDriver": {"Data": {"LowerDir": "/data/var/lib/docker/overlay2/ec2f5f43a9a6f4e7063fb6ef633103b1bca417f34488a4a48736758f9eb6019f/diff:/data/var/lib/docker/overlay2/e368569b4eb5117dabbb84864913883ecf8f50130097619ce128a7bcdf141092/diff:/data/var/lib/docker/overlay2/4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1/diff:/data/var/lib/docker/overlay2/0b85066e21c3238a8d0214b82399b41b6fedfbebe48ba8a88ab45d0947089685/diff:/data/var/lib/docker/overlay2/8bdfae00fada474094f86a6fc004d5a2e53d660509fcb3ec987d204b2df5eb20/diff","MergedDir": "/data/var/lib/docker/overlay2/b35408cd1036fd7aa5d4fb5220f06fe9a56606fb2ad1316a8beca766c886e692/merged","UpperDir": "/data/var/lib/docker/overlay2/b35408cd1036fd7aa5d4fb5220f06fe9a56606fb2ad1316a8beca766c886e692/diff","WorkDir": "/data/var/lib/docker/overlay2/b35408cd1036fd7aa5d4fb5220f06fe9a56606fb2ad1316a8beca766c886e692/work"},"Name": "overlay2"},"RootFS": {"Type": "layers","Layers": ["sha256:d000633a56813933cb0ac5ee3246cf7a4c0205db6290018a169d7cb096581046","sha256:63b5f2c0d071d1ac41fe869b0f2321c3adec53d8d51b4a03017d865c38dd41f8","sha256:875b5b50454b905c1046c99ab65e403bf27400bf9c96c157332cda2538698dc2","sha256:ed94af62a494fbea70c27afcedea4c303817196b50e8dd98b5be88cd514aab01","sha256:8e58314e4a4fbd97b70bed2b4c5f4b2911ff7f3e3ee310be89fab1120768d533","sha256:d47e4d19ddecb22dc95d641e9c29192a2d13e8506bc60d1c8f6452685ed63634"]},"Metadata": {"LastTagTime": "0001-01-01T00:00:00Z"}}
]
可以看到 GraphDriver 也就是我们的存储驱动,是 overlay2
的存储驱动;
nginx 的 overlay2
的四个目录也都显示出来了,我们知道 docker 的默认目录是/var/lib/docker
,之所以在/data/var/lib/docker
下面是因为我们规划了磁盘,调整了默认的存储目录。
可以看到 lowerdir
,upperdir
,都位于/data/var/lib/docker/overlay2
下面,因为我们调整过默认存储位置所以对比默认的/var/lib/docker
多了/data
;我们进入到
cd /data/var/lib/docker/overlay
该目录下,查找我们的nginx,看下文件的怎么存储的
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2# tree -P nginx -f |grep "/sbin/nginx"
│ │ │ │ └── ./0b85066e21c3238a8d0214b82399b41b6fedfbebe48ba8a88ab45d0947089685/diff/usr/sbin/nginx
│ │ │ │ └── ./db3ef3edafc0f2fe808eb68b6f53aec88b9c2e6fd525bb7e7cf9bbfec464992b/diff/usr/sbin/nginx
│ │ │ │ └── ./e43ea820aaac10fe0afac4afac18f8fa929ae618868ae467f59f3be0348ce09c/diff/usr/sbin/nginx
│ │ │ └── ./eb2gtnp096i7l1cddihp05s0m/diff/usr/local/nginx/sbin/nginx
│ │ │ │ └── ./ee39d178f8d876a5f2a725528e6de013ffca56e8214eb8e01287ec62d5b90d04/diff/usr/sbin/nginx
│ │ │ └── ./fejtx6ef605fty3ldwkg4m1q6/diff/usr/local/nginx/sbin/nginx
│ │ │ └── ./lkq1gz8jjbyoal36hm586np6k/diff/usr/local/nginx/sbin/nginx
-P nginx
选项表示只显示匹配模式nginx
的文件或目录名。
从当前目录开始,递归地列出所有匹配 nginx 的文件或目录(通过tree -P nginx -f
)。
然后,通过grep
进一步过滤,只显示路径中包含/sbin/nginx
的行。
搜索后可以看到我们找到了多个nginx 文件,因为我们本地有多个 nginx 镜像所以搜到了多个 nginx 文件,通过
lowerdir
的值我们可以确定有一个是和我们 nginx:1.12.1 的匹配上的
同样的方式我们通过 Dockerfile 发现,nginx 还存储了个 docker-entrypoint.sh
,我们搜索这个文件,我们发现这个文件也被放到了 diff
目录下面,和我们的 lowerdir 中
一个 layer
是对应的。
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2# tree -P "docker-entrypoint.sh" -f | grep "docker-entrypoint.sh"
│ │ └── ./2b130b497b862c6acff53f31ebdbc5ecf772345c2b9ce4326f620bcef741507d/diff/usr/local/bin/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1/diff/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./5b1bddba0c572552b60b6b6652bc91a87ac06b9211ba5624dff834375755cf9e/diff/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./64bc799bb08a0ad3430763f0e542b335290e94672e745aa94a852e4304ef4e3f/diff/usr/local/bin/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./78ba0a0382912a6afddfae1e6284cf44613f06053d091450ae5b81843cf8fd29/diff/usr/local/bin/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./895480d1f77b5a0db270020acb3884a3e6c7060e8b0aa549f2cf6010bfb00218/diff/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./a0040d7c6e1a802554a81abc3647e12a173e718387b65c8818fff523da1bb543/diff/usr/local/bin/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./a015c0762e6d24830c7631bec8e3c7959860090f0ea78b8a1dd2a3b5e2d5fe7f/diff/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./abd0373582a3c3c4cd39e9148cfb2d40eb7d61f74fb677a03eadfb9f8e231b41/diff/usr/local/bin/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./b8969b128b086fc04ce55d73892dedc65421ff3da8753ceab61fe958220eeb3c/diff/usr/local/bin/docker-entrypoint.sh
│ │ └── ./faa473d46c0b34676cec3c287b3ce9350b40657fa5f5df14840e086021fa2b8e/diff/usr/local/bin/docker-entrypoint.sh
接下来我们进入 diff 的上一级目录查看
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2# cd 4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2/4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1# ls
committed diff link lower work
可以看到 link
文件,里面是每一个 diff 目录
的短名称,或者说软链接
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2/4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1# cat ./link
J6U3CHDJ5RRYP6ONH2VJLP34P2root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2/4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1#
通过遍历 l 目录我们会发现,整个 docker 的镜像的 diff 目录都被做了对应的软链接,或者说起了个短名称。
每一个 diff 是一个层级的内容,层级的关系是存放到了 lower 文件中,里面存放着父级的层级。
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2# cd 4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2/4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1# cat lower
l/HUIS7U7MEMOI47VSVORK45VAB4:l/BDTHLGWDJQYNWQQP4AH2NAT3BEroot@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2/4d5612682090b9800340353f0550207d69d15ecf7135353cf09a8c8db252afb1#
最后我们查看下 mergeddir
,发现 merged dir
是不存在的,当我们启动为容器的时候才是有有效的。
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2# ll b35408cd1036fd7aa5d4fb5220f06fe9a56606fb2ad1316a8beca766c886e692/merged
ls: cannot access 'b35408cd1036fd7aa5d4fb5220f06fe9a56606fb2ad1316a8beca766c886e692/merged': No such file or directory
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2# docker run -d --name mylayer nginx:1.21.1
f1a5126c83a4a010a115b3afb340618302e68834ba95b7e6b3afe4c60e3432ea
root@VM-8-12-ubuntu:/data/var/lib/docker/overlay2# docker inspect mylayer
[{"Id": "f1a5126c83a4a010a115b3afb340618302e68834ba95b7e6b3afe4c60e3432ea","Created": "2025-04-15T12:33:55.683157888Z","Path": "/docker-entrypoint.sh","Args": ["nginx","-g","daemon off;"],"State": {"Status": "running","Running": true,"Paused": false,"Restarting": false,"OOMKilled": false,"Dead": false,"Pid": 3747944,"ExitCode": 0,"Error": "","StartedAt": "2025-04-15T12:33:56.829866983Z","FinishedAt": "0001-01-01T00:00:00Z"},"Image": "sha256:822b7ec2aaf2122b8f80f9c7f45ca62ea3379bf33af4e042b67aafbf6eac1941","ResolvConfPath": "/data/var/lib/docker/containers/f1a5126c83a4a010a115b3afb340618302e68834ba95b7e6b3afe4c60e3432ea/resolv.conf","HostnamePath": "/data/var/lib/docker/containers/f1a5126c83a4a010a115b3afb340618302e68834ba95b7e6b3afe4c60e3432ea/hostname","HostsPath": "/data/var/lib/docker/containers/f1a5126c83a4a010a115b3afb340618302e68834ba95b7e6b3afe4c60e3432ea/hosts","LogPath": "/data/var/lib/docker/containers/f1a5126c83a4a010a115b3afb340618302e68834ba95b7e6b3afe4c60e3432ea/f1a5126c83a4a010a115b3afb340618302e68834ba95b7e6b3afe4c60e3432ea-json.log","Name": "/mylayer","RestartCount": 0,"Driver": "overlay2","Platform": "linux","MountLabel": "","ProcessLabel": "","AppArmorProfile": "docker-default","ExecIDs": null,"HostConfig": {"Binds": null,"ContainerIDFile": "","LogConfig": {"Type": "json-file","Config": {}},"NetworkMode": "bridge","PortBindings": {},"RestartPolicy": {"Name": "no","MaximumRetryCount": 0},"AutoRemove": false,"VolumeDriver": "","VolumesFrom": null,"ConsoleSize": [22,134],"CapAdd": null,"CapDrop": null,"CgroupnsMode": "host","Dns": [],"DnsOptions": [],"DnsSearch": [],"ExtraHosts": null,"GroupAdd": null,"IpcMode": "private","Cgroup": "","Links": null,"OomScoreAdj": 0,"PidMode": "","Privileged": false,"PublishAllPorts": false,"ReadonlyRootfs": false,"SecurityOpt": null,"UTSMode": "","UsernsMode": "","ShmSize": 67108864,"Runtime": 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]
我们通过镜像实际存储位置可以看到镜像在存储的时候,通过分层来实现,并通过link 和 lower 完成层与层之间链接关系配置,diff 存放了我们的内容,并且没有什么加密。
overlay 文件系统工作实战
我们首先创建一个目录用来挂载我们的文件系统
mkdir -p /data/myworkdir/fs
创建文件系统的工作目录
root@VM-8-12-ubuntu:/data# cd /data/myworkdir/fs
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# ls
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# mkdir upper lower merged work
准备一些文件
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# echo "in lower" > lower/in_lower.txt
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# echo "in upper" > upper/in_upper.txt
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# echo "In both. from lower" > lower/in_both.txt
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# echo "In both. from upper" > upper/in_both.txt
挂载 overlay 目录
mount -t overlay overlay -o lowerdir=./lower,upperdir=./upper,workdir=./work ./merged
通过 df -h 可以看到我们完成了挂载
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# df -h
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
udev 937M 0 937M 0% /dev
tmpfs 198M 836K 197M 1% /run
/dev/vda2 50G 29G 19G 61% /
tmpfs 986M 24K 986M 1% /dev/shm
tmpfs 5.0M 0 5.0M 0% /run/lock
tmpfs 986M 0 986M 0% /sys/fs/cgroup
tmpfs 198M 0 198M 0% /run/user/1000
overlay 50G 29G 19G 61% /data/var/lib/docker/overlay2/3dfbd9c0692bc89a1d337ab0638741bd740ffa9b3aadf73f67d159eeb3fec6ae/merged
overlay 50G 29G 19G 61% /data/myworkdir/fs/merged
此时看下目录结构,然后发现 merged 目录自动生成了 3 个文件,可以看到both,lower,upper 都在。merged 目录其实就是用户看到的目录,用户的实际文件操作在这里进行。
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# tree -a
.
├── lower
│ ├── in_both.txt
│ └── in_lower.txt
├── merged
│ ├── in_both.txt
│ ├── in_lower.txt
│ └── in_upper.txt
├── upper
│ ├── in_both.txt
│ └── in_upper.txt
└── work└── work
merged
目录下编辑一下in_lower.txt
,upper
目录下就会马上出现一个 in_lower.txt
,而且内容就是编辑后的。而 lower 目录下的 in_lower.txt
内容不变
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs/merged# vi in_lower.txt
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs/merged# cat in_lower.txt
in lower! after edit!
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs/merged# cd ..
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# tree -a
.
├── lower
│ ├── in_both.txt
│ └── in_lower.txt
├── merged
│ ├── in_both.txt
│ ├── in_lower.txt
│ └── in_upper.txt
├── upper
│ ├── in_both.txt
│ ├── in_lower.txt
│ └── in_upper.txt
└── work└── work5 directories, 8 files
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# cat upper/in_lower.txt
in lower! after edit!
如果我们删除 in_lower.txt
,lower
目录里的"in_lower.txt"文件不会有变化,只是在upper/
目录中增加了一个特殊文件来告诉 OverlayFS,"in_lower.txt'
这个文件不能出现在 merged/
里了,类似 AuFS 的 whiteout
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# rm -f merged/in_lower.txt
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# tree -a
.
├── lower
│ ├── in_both.txt
│ └── in_lower.txt
├── merged
│ ├── in_both.txt
│ └── in_upper.txt
├── upper
│ ├── in_both.txt
│ ├── in_lower.txt
│ └── in_upper.txt
└── work└── work5 directories, 7 files
root@VM-8-12-ubuntu:/data/myworkdir/fs# ll upper/
total 16
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 15 20:49 ./
drwxr-xr-x 6 root root 4096 Apr 15 20:39 ../
-rw-r--r-- 1 root root 20 Apr 15 20:40 in_both.txt
c--------- 1 root root 0, 0 Apr 15 20:49 in_lower.txt
-rw-r--r-- 1 root root 9 Apr 15 20:39 in_upper.txt
注意到 upper 下 in_lower.txt 的文件类型没有 ,而是 c 不是-或者 d
可以看到这种文件系统对于底层来说不影响,共享比较容易,但是如果编辑,删除频繁的话,性能还是比较差的。要不停的拷贝或者标记。