## 12.4 联合文件系统

联合文件系统 (UnionFS) 是 Docker 镜像分层存储的基础，它允许将多个目录挂载为同一个虚拟文件系统。

### 12.4.1 什么是联合文件系统

联合文件系统 (UnionFS) 是一种 **分层、轻量级** 的文件系统，它将多个目录 “联合” 挂载到同一个虚拟目录，形成一个统一的文件系统视图。

> **核心思想**：将多个只读层叠加，最上层可写，形成完整的文件系统。

```mermaid
flowchart TD
    ContainerFS["容器看到的文件系统<br/>/bin /etc /lib /usr /var /app /data"]
    UnionFS["UnionFS 联合挂载"]

    ContainerLayer["容器层 (读写) : /app/data/log.txt (新写入)"]
    ImageLayer3["镜像层3 (只读) : /app/app.py"]
    ImageLayer2["镜像层2 (只读) : /usr/local/bin/python"]
    ImageLayer1["镜像层1 (只读) : /bin /etc /lib (基础系统)"]

    ContainerFS --> UnionFS
    UnionFS --> ContainerLayer --> ImageLayer3 --> ImageLayer2 --> ImageLayer1
```
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### 12.4.2 为什么 Docker 使用联合文件系统

Docker 选择联合文件系统作为其存储驱动，主要基于以下几个核心优势。

#### 1. 镜像分层复用

```mermaid
flowchart TD
    Nginx["nginx:alpine"] --> Alpine["alpine:3.19 (共享基础层)"]
    MyApp["myapp:latest"] --> Alpine
```
多个镜像共享相同的底层，节省磁盘空间。

#### 2. 快速构建

每个 Dockerfile 指令创建一层，只有变化的层需要重建：

```docker
FROM node:22          # 层1：基础镜像
COPY package.json ./  # 层2：依赖定义
RUN npm install       # 层3：安装依赖
COPY . .              # 层4：应用代码
```
代码变化时，只需重建层 4，层 1-3 使用缓存。

#### 3. 容器启动快

容器启动时不需要复制镜像，只需：

1. 在镜像层上创建一个薄的可写层
2. 联合挂载所有层

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### 12.4.3 Copy-on-Write：写时复制

当容器修改只读层中的文件时：

```mermaid
flowchart LR
    subgraph Before ["修改前"]
        direction TB
        B_C["容器层 (空)"]
        B_I["镜像层<br/>/etc/nginx.conf"]
    end

    subgraph After ["修改后"]
        direction TB
        A_C["容器层<br/>/etc/nginx.conf ← 复制到容器层后修改"]
        A_I["镜像层<br/>/etc/nginx.conf (原文件仍在，但被遮蔽)"]
    end
    B_C --- B_I
    A_C --- A_I
```
**流程**：

1. 从只读层读取文件
2. 复制到容器的可写层
3. 在可写层中修改
4. 后续读取使用可写层的版本

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### 12.4.4 Docker 支持的存储驱动

Docker 的存储驱动经历了从早期各式各样的机制（如 aufs, devicemapper），到被广泛使用的现代经典 graph driver (`overlay2`)，再到当下（Engine v29.x 及以后）**在新安装场景中默认启用的 containerd 镜像存储引擎（containerd image store）** 的演进。

| 存储后端 / 驱动 | 核心特性说明 | 推荐程度 |
|---------|------|---------|
| **containerd image store**| (v29.x 新一代默认后端，新装默认) 基于 containerd 的 snapshotters，原生支持 OCI image index、多架构镜像与 Attestations 构建溯源元数据存储。 | ✅**强烈推荐 (现代默认)** |
| **overlay2**| (经典 Graph Driver) 传统架构下的现代 Linux 默认驱动，性能优秀，但在处理复杂溯源元数据（索引）时受限。 | ✅**推荐 (主要后备)** |
| **aufs** | 早期默认，兼容性好 | 遗留系统 |
| **btrfs**/**zfs** | 使用原生稳定文件系统快照能力 | 特定场景 |
| **devicemapper** | 块设备级存储 | 遗留系统 (已被逐步弃用) |
| **vfs** | 不使用 CoW，每层完整复制 | 仅测试 |

#### Classic Graph Drivers 与 Snapshotters 的核心差异

传统模型（如 `overlay2`）将镜像拉取解包的过程由 Docker 的 graph drivers 处理。而新的 `containerd image store` 则将这一职责彻底下放给了 `containerd` 自身的 `snapshotters`（底层在 Linux 发行版通常依然利用操作系统的 overlayfs）。这种架构改变带来了：

1. 本地免拉取查看多平台镜像 index manifest 与 attestations (SBOM、Provenance)。
2. 避免了以前绕过 CRI 获取本地镜像的问题，带来更好的原生 Kubernetes 生态兼容性。

#### 查看当前存储驱动与后端

```bash
## 查看默认存储驱动
$ docker info | grep "Storage Driver"
Storage Driver: overlay2

## 在 Engine v29.x 中，可以通过如下输出验证是否开启了 containerd 镜像后端：
$ docker info | grep "containerd image store"
 containerd image store: true
```
---

### 12.4.5 overlay2 工作原理

overlay2 是目前最推荐的存储驱动：

```mermaid
flowchart TD
    Merged["merged (合并视图)<br/>容器看到的完整文件系统"]
    OverlayFS["OverlayFS"]

    Upper["upper<br/>(容器层)<br/>读写"]
    Lower2["lower2<br/>(镜像层)<br/>只读"]
    Lower1["lower1<br/>(基础层)<br/>只读"]

    Merged --> OverlayFS
    OverlayFS --> Upper
    OverlayFS --> Lower2
    OverlayFS --> Lower1
```

- **lowerdir**：只读的镜像层 (可以有多个)
- **upperdir**：可写的容器层
- **workdir**：OverlayFS 的工作目录
- **merged**：联合挂载后的视图

#### 文件操作行为

| 操作 | 行为 |
|------|------|
| **读取** | 从上到下查找第一个匹配的文件 |
| **创建** | 在 upper 层创建 |
| **修改** | 如果在 lower 层，先复制到 upper 层再修改 |
| **删除** | 在 upper 层创建 whiteout 文件标记删除 |

---

### 12.4.6 查看镜像层

```bash
## 查看镜像的层信息

$ docker history nginx:alpine
IMAGE          CREATED       CREATED BY                                      SIZE
a6eb2a334a9f   2 weeks ago   CMD ["nginx" "-g" "daemon off;"]                0B
<missing>      2 weeks ago   STOPSIGNAL SIGQUIT                              0B
<missing>      2 weeks ago   EXPOSE map[80/tcp:{}]                           0B
<missing>      2 weeks ago   ENTRYPOINT ["/docker-entrypoint.sh"]            0B
<missing>      2 weeks ago   COPY 30-tune-worker-processes.sh /docker-ent…   4.62kB
...

## 查看层的存储位置

$ docker inspect nginx:alpine --format '{{json .GraphDriver.Data}}' | jq
{
  "LowerDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../diff:/var/lib/docker/overlay2/.../diff",
  "MergedDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../merged",
  "UpperDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../diff",
  "WorkDir": "/var/lib/docker/overlay2/.../work"
}
```
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### 12.4.7 最佳实践

为了构建高效、轻量的镜像，我们在使用联合文件系统时应注意以下几点。

#### 1. 减少镜像层数

```docker
## ❌ 每条命令创建一层

RUN apt-get update
RUN apt-get install -y nginx
RUN rm -rf /var/lib/apt/lists/*

## ✅ 合并为一层

RUN apt-get update && \
    apt-get install -y nginx && \
    rm -rf /var/lib/apt/lists/*
```

#### 2. 避免在容器中写入大量数据

容器层的写入性能低于直接写入。大量数据应使用：

- 数据卷 (Volume)
- 绑定挂载 (Bind Mount)

#### 3. 使用 .dockerignore

排除不需要的文件可以：

- 减小构建上下文
- 避免创建不必要的层

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