Linux UnionFS

Linux UnionFS（联合文件系统）详解。

内容：概念 -> 内核实现 -> 主流实现 -> 行为细节 -> 与容器的关系 -> 性能与陷阱 -> 最佳实践

一、UnionFS 是什么（一句话）

UnionFS 是一种“把多个目录（分支）叠加成一个统一视图”的文件系统机制。

上层：可写层（upper）
下层：只读层（lower）
对用户呈现：一个完整目录树

📌 UnionFS ≠ OverlayFS（OverlayFS 是内核实现之一）

二、为什么需要 UnionFS（设计动机）

1️⃣ 镜像分层（容器）

应用层（可写）
---------
基础镜像层（只读）
---------
OS 层（只读）

节省空间
快速创建
层复用

2️⃣ 系统快照 / Live CD

Live 系统：只读 + 内存写层
回滚 / 快照

3️⃣ 只读根文件系统 + 可写覆盖

嵌入式系统
安全系统

三、UnionFS 的核心概念

1️⃣ Branch（分支）

每一层目录叫一个 branch

lower branch：只读
upper branch：可写

2️⃣ Whiteout（白障）

用于“在上层删除下层文件”的特殊标记

删除 ≠ 真删除
是创建 .wh.<filename>

📌 这是 UnionFS 的核心魔法之一

3️⃣ Copy-on-Write（写时复制）

当你：

echo hello >> /bin/ls

实际发生的是：

/bin/ls 从 lower copy 到 upper
在 upper 中修改
lower 不变

四、UnionFS 的内核实现演进

1️⃣ UnionFS（最早）

外部模块
稳定性一般
已基本弃用

2️⃣ AUFS（Docker 早期）

功能强大
非主线内核
Ubuntu 曾长期使用

📌 RHEL 系列从未支持 AUFS

3️⃣ OverlayFS（主线内核）

现在事实上的标准

Linux 内核原生
Docker / Podman / CRI-O 默认
RHEL / AlmaLinux / Rocky 全支持

五、OverlayFS 详解（重点）

1️⃣ 基本结构

lowerdir=/layers/base:/layers/app
upperdir=/layers/write
workdir=/layers/work

挂载后：

/merged

2️⃣ 挂载命令示例

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

📌 workdir 用于原子操作（必须）

3️⃣ 文件访问逻辑（读写流程）

读：

upperdir
从上到下依次 lowerdir

写：

lower -> copy 到 upper -> 写

删：

创建 whiteout

六、UnionFS 的关键行为细节（很容易踩坑）

1️⃣ inode 不稳定

同一路径
不同层 inode 不同

📌 影响：

bind mount
inode cache
某些数据库

2️⃣ hardlink 受限

OverlayFS 对 hardlink 支持有限
跨层 hardlink 基本不可用

3️⃣ rename 是“伪原子”

跨层 rename 实际是：
- copy + delete

📌 对 fsync 敏感程序危险

4️⃣ chmod / chown 行为

触发 COW
文件被复制到 upper

七、OverlayFS 与容器（核心关系）

1️⃣ Docker overlay2 的本质

container_rw_layer (upper)
--------------------------
image layer N
--------------------------
image layer N-1
--------------------------
base OS layer

2️⃣ 为什么容器启动快？

不复制 rootfs
只 mount 联合视图

3️⃣ 为什么容器磁盘 IO 抖？

metadata 操作多
copy-up 代价大
fsync 穿透层

八、UnionFS 不适合哪些场景？

❌ 数据库（重点）

原因：

fsync 不可控
rename 不安全
inode 不稳定
白障文件膨胀

📌 这就是 “数据库为什么不适合跑在容器” 的底层原因之一

❌ 高 IO 小文件场景

Git
编译缓存
npm / pip

九、性能关键点（OverlayFS）

1️⃣ Metadata 开销高

stat
readdir
lookup

2️⃣ Copy-up 成本不可忽视

第一次写 = 全文件复制
大文件尤其明显

3️⃣ fsync 行为复杂

upper + lower 组合
存储栈不透明

十、UnionFS 的最佳实践

✅ 容器

rootfs：overlay2
数据目录：bind mount / volume

-v /data/mysql:/var/lib/mysql

✅ 系统设计

只读 OS + overlay
日志 / 数据单独盘

❌ 禁止事项

❌ overlay2 存数据库数据
❌ overlay2 跑消息队列
❌ overlay2 做性能 benchmark

十一、OverlayFS vs 其他方案

特性	OverlayFS	bind mount	tmpfs
分层	✅	❌	❌
可写	✅	✅	✅
性能	中	高	高
数据安全	低	高	低
适合数据库	❌	✅	❌

十二、总结（记住）

UnionFS 是 “视图文件系统”，不是 “数据文件系统”。

它的使命是：

镜像
分层
复用

不是：

高一致性
高 fsync 可靠性
数据持久化