AUFS：多点合一，写时复制

AUFS（全称：advanced multi-layered unification filesystem，高级多层统一文件系统），用于为 Linux 文件系统实现联合挂载。提到联合挂载，就要先解一下 Union File System。

Union File System

Union File System，简称 UnionFS，是一种为 Linux、FreeBSD 和 NetBSD 操作系统设计的文件系统，它能够多个其他文件系统联合到一个地方来挂载。换句话说，就是不过目录合并 mount 到同一个目录中。

它和核心原理有两个：

• 分支管理：它使用 branch 把不同文件系统的文件和目录"透明地"覆盖，形成一个单一一致的文件系统。这些 branch 或者是 read-only 的，或者是 read-write 的，所以当对这个虚拟后的联合文件系统进行写操作的时候，系统是真正写到了一个新的文件中。


• 写时复制：copy-on-write，简写为 CoW，也叫隐式共享，是一种提高资源使用效率的资源管理技术。它的思想是：如果一个资源是重复的，在没有对资源做出修改前，并不需要立即复制出一个新的资源实例，这个资源被不同的所有者共享使用。当任何一个所有者要对该资源做出修改时，复制出一个新的资源实例给该所有者进行修改，修改后的资源成为其所有者的私有资源。通过这种资源共享的方式，可以显著地减少复制相同资源带来的消耗，但是这样做也会在进行资源的修改时增加一部分开销。

AUFS

AUFS 又叫 Another UnionFS，后来叫 Alternative UnionFS，后来可能觉得不够霸气，叫成 Advance UnionFS。是个叫 Junjiro Okajima（岡島順治郎）在 2006 年开发的，AUFS 完全重写了早期的 UnionFS 1.x，其主要目的是为了可靠性和性能，并且引入了一些新的功能，比如可写分支的负载均衡。AUFS 在使用上全兼容 UnionFS，而且比之前的 UnionFS 在稳定性和性能上都要好很多，后来的 UnionFS 2.x 开始抄 AUFS 中的功能。

实战 AUFS

在 Ubuntu 中，我们可以通过 mount 命令手动来创建 AUFS，以此来体验一下 AUFS 的巧妙之处。

创建实验目录和文件

1. 创建实验目录 aufs

$ mkdir aufs


2. 在 aufs 目录下创建 mnt 目标作为文件系统的挂载点

$ mkdir aufs/mnt


3. 在 aufs 目录下创建 container-layer 文件夹，用来模拟容器的读写层

$ mkdir aufs/container-layer
# 同时创建文件 container-layer.txt 并初始化内容
$ echo "I am container layer" > aufs/container-layer/container-layer.txt


4. 在 aufs 目录下创建三个文件 image-layer1、image-layer2、image-layer3，用来模拟容器的镜像层

$ mkdir aufs/{image-layer1,image-layer2,image-layer3}
$ echo "I am image layer 1" > aufs/image-layer1/image-layer1.txt
$ echo "I am image layer 2" > aufs/image-layer2/image-layer2.txt
$ echo "I am image layer 3" > aufs/image-layer3/image-layer3.tx


准备好的实验目录和文件结构如下：

创建 AUFS 文件系统

1. 通过 mount 把 container-layer、image-layer1、image-layer2、image-layer3 以 AUFS 的方式挂载到刚才创建的 mnt 目录下

$ cd aufs
$ sudo mount -t aufs -o dirs=./container-layer:./image-layer1:./image-layer2:./image-layer3 none ./mnt


挂载完成后，查看 mnt 目录的文件结构为：



在 mount 命令中我们没有指定要挂载的 4 个文件夹的权限信息，其默认行为是：dirs 指定的左边起第一个目录是 read-write 权限，后续目录都是 read-only 权限。我们可以通过下面的方式查看详情：



其中的 si_f7dd5867fe18e716 目录是系统为 mnt 这个挂载点创建的，从上图中我们可以清楚的看到各个目录的挂载权限。

验证写时复制

接下来我们向 mnt/image-layer3.txt 文件写入数据：

$ echo "I changed mnt/image-layer3.txt" >> mnt/image-layer3.txt


查看 mnt/image-layer3.txt 的内容，发现已经变化了：



那再去看看底层文件 image-layer3/image-layer3.txt，发现他的内容并没有改变：



那么，改变的内容被存储到了什么地方呢？去看看 container-layer 目录：



原来，当尝试向 mnt/image-layer3.txt 中写入文件时，系统首先在 mnt 目录下查找名为 image-layer3.txt 的文件，将其拷贝到 read-write 层的 container-layer 目录中，接着对 container-layer 目录中的 image-layer3.txt 的文件进行写操作。这个过程也就是 AUFS 的实际工作原理。

到这里，我们就完成了 AUFS 的实验，从中也学到了 AUFS 写时复制的技术原理。实验结束完，别忘了回收实验环境：

$ sudo umount aufs/mnt


Docker by UnionFS

虽然当前 docker 默认的存储驱动已经演进到了 overlay2，但是学习 AUFS 依然可以帮助我们深入理解 docker 中的文件系统。当我们以后在使用 Docker 容器时，我们在 build 镜像时，写时复制就在发挥着作用。