## 14.4 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。
### 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
/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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### 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
如下代码块所示，展示了相关示例：
```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:20 # 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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### 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
/etc/nginx.conf"]
end
subgraph After ["修改后"]
direction TB
A_C["容器层
/etc/nginx.conf ← 复制到容器层后修改"]
A_I["镜像层
/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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### Docker 支持的存储驱动
Docker 可使用多种联合文件系统实现：
| 存储驱动 | 说明 | 推荐程度 |
|---------|------|---------|
| **overlay2**| 现代 Linux 默认驱动，性能优秀 | ✅**推荐** |
| **aufs** | 早期默认，兼容性好 | 遗留系统 |
| **btrfs** | 使用 Btrfs 子卷 | 特定场景 |
| **zfs** | 使用 ZFS 数据集 | 特定场景 |
| **devicemapper** | 块设备级存储 | 遗留系统 |
| **vfs** | 不使用 CoW，每层完整复制 | 仅测试 |
#### 各发行版推荐
相关信息如下表：
| Linux 发行版 | 推荐存储驱动 |
|-------------|-------------|
| Ubuntu 16.04+ | overlay2 |
| Debian Stretch+ | overlay2 |
| CentOS 7+ | overlay2 |
| RHEL 8+ | overlay2 |
| Fedora | overlay2 |
#### 查看当前存储驱动
运行以下命令：
```bash
$ docker info | grep "Storage Driver"
Storage Driver: overlay2
```
---
### 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)
容器看到的完整文件系统"]
OverlayFS["OverlayFS"]
Upper["upper
(容器层)
读写"]
Lower2["lower2
(镜像层)
只读"]
Lower1["lower1
(基础层)
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
#### 概述
总体概述了以下内容。
#### 文件操作行为
相关信息如下表：
| 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 |
---
### 查看镜像层
运行以下命令：
```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
2 weeks ago STOPSIGNAL SIGQUIT 0B
2 weeks ago EXPOSE map[80/tcp:{}] 0B
2 weeks ago ENTRYPOINT ["/docker-entrypoint.sh"] 0B
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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### 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
如下代码块所示，展示了相关示例：
```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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