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<title>14 文件存储驱动：AUFS 文件系统原理及生产环境的最佳配置.md.html</title>
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<span>技术文章摘抄</span>
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<li><a href="/" class="current-tab">首页</a></li>
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<li><a href="../">上一级</a></li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/00 溯本求源，吃透 Docker！.md.html">00 溯本求源，吃透 Docker！</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/01 Docker 安装：入门案例带你了解容器技术原理.md.html">01 Docker 安装：入门案例带你了解容器技术原理</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/02 核心概念：镜像、容器、仓库，彻底掌握 Docker 架构核心设计理念.md.html">02 核心概念：镜像、容器、仓库，彻底掌握 Docker 架构核心设计理念</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/03 镜像使用：Docker 环境下如何配置你的镜像？.md.html">03 镜像使用：Docker 环境下如何配置你的镜像？</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/04 容器操作：得心应手掌握 Docker 容器基本操作.md.html">04 容器操作：得心应手掌握 Docker 容器基本操作</a>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/05 仓库访问：怎样搭建属于你的私有仓库？.md.html">05 仓库访问：怎样搭建属于你的私有仓库？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/06 最佳实践：如何在生产中编写最优 Dockerfile？.md.html">06 最佳实践：如何在生产中编写最优 Dockerfile？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/07 Docker 安全：基于内核的弱隔离系统如何保障安全性？.md.html">07 Docker 安全：基于内核的弱隔离系统如何保障安全性？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/08 容器监控：容器监控原理及 cAdvisor 的安装与使用.md.html">08 容器监控：容器监控原理及 cAdvisor 的安装与使用</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/09 资源隔离：为什么构建容器需要 Namespace ？.md.html">09 资源隔离：为什么构建容器需要 Namespace ？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/10 资源限制：如何通过 Cgroups 机制实现资源限制？.md.html">10 资源限制：如何通过 Cgroups 机制实现资源限制？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/11 组件组成：剖析 Docker 组件作用及其底层工作原理.md.html">11 组件组成：剖析 Docker 组件作用及其底层工作原理</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/12 网络模型：剖析 Docker 网络实现及 Libnetwork 底层原理.md.html">12 网络模型：剖析 Docker 网络实现及 Libnetwork 底层原理</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/13 数据存储：剖析 Docker 卷与持久化数据存储的底层原理.md.html">13 数据存储：剖析 Docker 卷与持久化数据存储的底层原理</a>
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<li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/14 文件存储驱动：AUFS 文件系统原理及生产环境的最佳配置.md.html">14 文件存储驱动：AUFS 文件系统原理及生产环境的最佳配置</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/15 文件存储驱动：Devicemapper 文件系统原理及生产环境的最佳配置.md.html">15 文件存储驱动：Devicemapper 文件系统原理及生产环境的最佳配置</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/16 文件存储驱动：OverlayFS 文件系统原理及生产环境的最佳配置.md.html">16 文件存储驱动：OverlayFS 文件系统原理及生产环境的最佳配置</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/17 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（上）.md.html">17 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（上）</a>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/18 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（下）.md.html">18 原理实践：自己动手使用 Golang 开发 Docker（下）</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/19 如何使用 Docker Compose 解决开发环境的依赖？.md.html">19 如何使用 Docker Compose 解决开发环境的依赖？</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/20 如何在生产环境中使用 Docker Swarm 调度容器？.md.html">20 如何在生产环境中使用 Docker Swarm 调度容器？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/21 如何使 Docker 和 Kubernetes 结合发挥容器的最大价值？.md.html">21 如何使 Docker 和 Kubernetes 结合发挥容器的最大价值？</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/22 多阶级构建：Docker 下如何实现镜像多阶级构建？.md.html">22 多阶级构建：Docker 下如何实现镜像多阶级构建？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/23 DevOps：容器化后如何通过 DevOps 提高协作效能？.md.html">23 DevOps：容器化后如何通过 DevOps 提高协作效能？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/24 CICD：容器化后如何实现持续集成与交付？（上）.md.html">24 CICD：容器化后如何实现持续集成与交付？（上）</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/25 CICD：容器化后如何实现持续集成与交付？（下）.md.html">25 CICD：容器化后如何实现持续集成与交付？（下）</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/26 结束语 展望未来：Docker 的称霸之路.md.html">26 结束语 展望未来：Docker 的称霸之路</a>
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</ul>
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</div>
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</div>
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<div class="sidebar-toggle" onclick="sidebar_toggle()" onmouseover="add_inner()" onmouseleave="remove_inner()">
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<div class="sidebar-toggle-inner"></div>
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</div>
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<script>
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function add_inner() {
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let inner = document.querySelector('.sidebar-toggle-inner')
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inner.classList.add('show')
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}
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function remove_inner() {
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let inner = document.querySelector('.sidebar-toggle-inner')
|
||
inner.classList.remove('show')
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||
}
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function sidebar_toggle() {
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let sidebar_toggle = document.querySelector('.sidebar-toggle')
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
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let content = document.querySelector('.off-canvas-content')
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if (sidebar_toggle.classList.contains('extend')) { // show
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sidebar_toggle.classList.remove('extend')
|
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content.classList.remove('extend')
|
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} else { // hide
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|
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sidebar.classList.add('hide')
|
||
content.classList.add('extend')
|
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}
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}
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
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overlay.classList.add('show')
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}
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
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let overlay = document.querySelector('.off-canvas-overlay')
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overlay.classList.remove('show')
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}
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</script>
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<div class="book-post">
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>14 文件存储驱动：AUFS 文件系统原理及生产环境的最佳配置</h1>
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<p>我们知道，Docker 主要是基于 Namespace、cgroups 和联合文件系统这三大核心技术实现的。前面的课时我详细讲解了 Namespace 和 cgroups 的相关原理，那么你知道联合文件系统是什么吗？它的原理又是什么呢？</p>
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<p>首先我们来了解一下什么是联合文件系统。</p>
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<h3>什么是联合文件系统</h3>
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<p>联合文件系统（Union File System，Unionfs）是一种分层的轻量级文件系统，它可以把多个目录内容联合挂载到同一目录下，从而形成一个单一的文件系统，这种特性可以让使用者像是使用一个目录一样使用联合文件系统。</p>
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||
<p>那联合文件系统对于 Docker 是一个怎样的存在呢？它可以说是 Docker 镜像和容器的基础，因为它可以使 Docker 可以把镜像做成分层的结构，从而使得镜像的每一层可以被共享。例如两个业务镜像都是基于 CentOS 7 镜像构建的，那么这两个业务镜像在物理机上只需要存储一次 CentOS 7 这个基础镜像即可，从而节省大量存储空间。</p>
|
||
<p>说到这儿，你有没有发现，联合文件系统只是一个概念，真正实现联合文件系统才是关键，那如何实现呢？其实实现方案有很多，Docker 中最常用的联合文件系统有三种：AUFS、Devicemapper 和 OverlayFS。</p>
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||
<p>今天我主要讲解 Docker 中最常用的联合文件系统里的 AUFS，为什么呢？因为 AUFS 是 Docker 最早使用的文件系统驱动，多用于 Ubuntu 和 Debian 系统中。在 Docker 早期，OverlayFS 和 Devicemapper 相对不够成熟，AUFS 是最早也是最稳定的文件系统驱动。 Devicemapper 和 OverlayFS 联合文件系统，我将在第 15 和 16 课时为你详细剖析 。</p>
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<p>接下来，我们就看看如何配置 Docker 的 AUFS 模式。</p>
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||
<h3>如何配置 Docker 的 AUFS 模式</h3>
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<p>AUFS 目前并未被合并到 Linux 内核主线，因此只有 Ubuntu 和 Debian 等少数操作系统支持 AUFS。你可以使用以下命令查看你的系统是否支持 AUFS：</p>
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<pre><code>$ grep aufs /proc/filesystems
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||
nodev aufs
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||
</code></pre>
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<p>执行以上命令后，如果输出结果包含<code>aufs</code>，则代表当前操作系统支持 AUFS。AUFS 推荐在 Ubuntu 或 Debian 操作系统下使用，如果你想要在 CentOS 等操作系统下使用 AUFS，需要单独安装 AUFS 模块（生产环境不推荐在 CentOS 下使用 AUFS，如果你想在 CentOS 下安装 AUFS 用于研究和测试，可以参考这个<a href="https://github.com/bnied/kernel-ml-aufs">链接</a>），安装完成后使用上述命令输出结果中有<code>aufs</code>即可。
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当确认完操作系统支持 AUFS 后，你就可以配置 Docker 的启动参数了。</p>
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<p>先在 /etc/docker 下新建 daemon.json 文件，并写入以下内容：</p>
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<pre><code>{
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"storage-driver": "aufs"
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}
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</code></pre>
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<p>然后使用以下命令重启 Docker：</p>
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<pre><code>$ sudo systemctl restart docker
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||
</code></pre>
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<p>Docker 重启以后使用<code>docker info</code>命令即可查看配置是否生效：</p>
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<pre><code>$ sudo docker info
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Client:
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Debug Mode: false
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Server:
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Containers: 0
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Running: 0
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Paused: 0
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Stopped: 0
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Images: 1
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Server Version: 19.03.12
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Storage Driver: aufs
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Root Dir: /var/lib/docker/aufs
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||
Backing Filesystem: extfs
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||
Dirs: 1
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||
Dirperm1 Supported: true
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||
</code></pre>
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<p>可以看到 Storage Driver 已经变为 aufs，证明配置已经生效，配置生效后就可以使用 AUFS 为 Docker 提供联合文件系统了。</p>
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<p>配置好 Docker 的 AUFS 联合文件系统后，你一定很好奇 AUFS 到底是如何工作的呢？下面我带你详细学习一下 AUFS 的工作原理。</p>
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<h3>AUFS 工作原理</h3>
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||
<h4>AUFS 是如何存储文件的？</h4>
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||
<p>AUFS 是联合文件系统，意味着它在主机上使用多层目录存储，<strong>每一个目录在 AUFS 中都叫作分支，而在 Docker 中则称之为层（layer），但最终呈现给用户的则是一个普通单层的文件系统，我们把多层以单一层的方式呈现出来的过程叫作联合挂载。</strong></p>
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||
<p><img src="assets/CgqCHl-GwcCAOu4aAABzKSlpRlI180.png" alt="png" /></p>
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<p>图 1 AUFS 工作原理示意图</p>
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||
<p>如图 1 所示，每一个镜像层和容器层都是 /var/lib/docker 下的一个子目录，镜像层和容器层都在 aufs/diff 目录下，每一层的目录名称是镜像或容器的 ID 值，联合挂载点在 aufs/mnt 目录下，mnt 目录是真正的容器工作目录。</p>
|
||
<p>下面我们针对 aufs 文件夹下的各目录结构，在创建容器前后的变化做详细讲述。</p>
|
||
<p>当一个镜像未生成容器时，AUFS 的存储结构如下。</p>
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<ul>
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||
<li>diff 文件夹：存储镜像内容，每一层都存储在以镜像层 ID 命名的子文件夹中。</li>
|
||
<li>layers 文件夹：存储镜像层关系的元数据，在 diif 文件夹下的每个镜像层在这里都会有一个文件，文件的内容为该层镜像的父级镜像的 ID。</li>
|
||
<li>mnt 文件夹：联合挂载点目录，未生成容器时，该目录为空。</li>
|
||
</ul>
|
||
<p>当一个镜像已经生成容器时，AUFS 存储结构会发生如下变化。</p>
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<ul>
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<li>diff 文件夹：当容器运行时，会在 diff 目录下生成容器层。</li>
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||
<li>layers 文件夹：增加容器层相关的元数据。</li>
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||
<li>mnt 文件夹：容器的联合挂载点，这和容器中看到的文件内容一致。</li>
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||
</ul>
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<p>以上便是 AUFS 的工作原理，那你知道容器的在工作过程中是如何使用 AUFS 的吗？</p>
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||
<h4>AUFS 是如何工作的？</h4>
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||
<p>AUFS 的工作过程中对文件的操作分为读取文件和修改文件。下面我们分别来看下 AUFS 对于不同的文件操作是如何工作的。</p>
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<h5>1. 读取文件</h5>
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||
<p>当我们在容器中读取文件时，可能会有以下场景。</p>
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||
<ul>
|
||
<li>文件在容器层中存在时：当文件存在于容器层时，直接从容器层读取。</li>
|
||
<li>当文件在容器层中不存在时：当容器运行时需要读取某个文件，如果容器层中不存在时，则从镜像层查找该文件，然后读取文件内容。</li>
|
||
<li>文件既存在于镜像层，又存在于容器层：当我们读取的文件既存在于镜像层，又存在于容器层时，将会从容器层读取该文件。</li>
|
||
</ul>
|
||
<h5>2. 修改文件或目录</h5>
|
||
<p>AUFS 对文件的修改采用的是写时复制的工作机制，这种工作机制可以最大程度节省存储空间。</p>
|
||
<p>具体的文件操作机制如下。</p>
|
||
<ul>
|
||
<li>第一次修改文件：当我们第一次在容器中修改某个文件时，AUFS 会触发写时复制操作，AUFS 首先从镜像层复制文件到容器层，然后再执行对应的修改操作。</li>
|
||
</ul>
|
||
<blockquote>
|
||
<p>AUFS 写时复制的操作将会复制整个文件，如果文件过大，将会大大降低文件系统的性能，因此当我们有大量文件需要被修改时，AUFS 可能会出现明显的延迟。好在，写时复制操作只在第一次修改文件时触发，对日常使用没有太大影响。</p>
|
||
</blockquote>
|
||
<ul>
|
||
<li>删除文件或目录：当文件或目录被删除时，AUFS 并不会真正从镜像中删除它，因为镜像层是只读的，AUFS 会创建一个特殊的文件或文件夹，这种特殊的文件或文件夹会阻止容器的访问。</li>
|
||
</ul>
|
||
<p>下面我们通过一个实例来演示一下 AUFS 。</p>
|
||
<h3>AUFS 演示</h3>
|
||
<h4>准备演示目录和文件</h4>
|
||
<p>首先我们在 /tmp 目录下创建 aufs 目录：</p>
|
||
<pre><code>$ cd /tmp
|
||
/tmp$ mkdir aufs
|
||
</code></pre>
|
||
<p>准备挂载点目录：</p>
|
||
<pre><code>/tmp$ cd aufs
|
||
/tmp/aufs$ mkdir mnt
|
||
</code></pre>
|
||
<p>接下来准备容器层内容：</p>
|
||
<pre><code>## 创建镜像层目录
|
||
/tmp/aufs$ mkdir container1
|
||
## 在镜像层目录下准备一个文件
|
||
/tmp/aufs$ echo Hello, Container layer! > container1/container1.txt
|
||
</code></pre>
|
||
<p>最后准备镜像层内容：</p>
|
||
<pre><code>## 创建两个镜像层目录
|
||
/tmp/aufs$ mkdir image1 && mkdir image2
|
||
## 分别写入数据
|
||
/tmp/aufs$ echo Hello, Image layer1! > image1/image1.txt
|
||
/tmp/aufs$ echo Hello, Image layer2! > image2/image2.txt
|
||
</code></pre>
|
||
<p>准备好的目录和文件结构如下：</p>
|
||
<pre><code>/tmp/aufs$ tree .
|
||
.
|
||
|-- container1
|
||
| `-- container1.txt
|
||
|-- image1
|
||
| `-- image1.txt
|
||
|-- image2
|
||
| `-- image2.txt
|
||
`-- mnt
|
||
4 directories, 3 files
|
||
</code></pre>
|
||
<h4>创建 AUFS 联合文件系统</h4>
|
||
<p>使用 mount 命令可以创建 AUFS 类型的文件系统，命令如下：</p>
|
||
<pre><code>/tmp/aufs$ sudo mount -t aufs -o dirs=./container1:./image2:./image1 none ./mnt
|
||
</code></pre>
|
||
<p>mount 命令创建 AUFS 类型文件系统时，这里要注意，<strong>dirs 参数第一个冒号默认为读写权限，后面的目录均为只读权限，与 Docker 容器使用 AUFS 的模式一致。</strong></p>
|
||
<p>执行完上述命令后，mnt 变成了 AUFS 的联合挂载目录，我们可以使用 mount 命令查看一下已经创建的 AUFS 文件系统：</p>
|
||
<pre><code>/tmp/aufs$ mount -t aufs
|
||
none on /tmp/aufs/mnt type aufs (rw,relatime,si=4174b83d649ffb7c)
|
||
</code></pre>
|
||
<p>我们每创建一个 AUFS 文件系统，AUFS 都会为我们生成一个 ID，这个 ID 在 /sys/fs/aufs/ 会创建对应的目录，在这个 ID 的目录下可以查看文件挂载的权限。</p>
|
||
<pre><code>tmp/aufs$ cat /sys/fs/aufs/si_4174b83d649ffb7c/*
|
||
/tmp/aufs/container1=rw
|
||
/tmp/aufs/image2=ro
|
||
/tmp/aufs/image1=ro
|
||
64
|
||
65
|
||
66
|
||
</code></pre>
|
||
<p>可以看到 container1 目录的权限为 rw（代表可读写），image1 和 image2 的权限为 ro（代表只读）。</p>
|
||
<p>为了验证 mnt 目录下可以看到 container1、image1 和 image2 目录下的所有内容，我们使用 ls 命令查看一下 mnt 目录：</p>
|
||
<pre><code>/tmp/aufs$ ls -l mnt/
|
||
total 12
|
||
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 24 Sep 9 16:55 container1.txt
|
||
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 21 Sep 9 16:59 image1.txt
|
||
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 21 Sep 9 16:59 image2.txt
|
||
</code></pre>
|
||
<p>可以看到 mnt 目录下已经出现了我们准备的所有镜像层和容器层的文件。下面让我们来验证一下 AUFS 的写时复制。</p>
|
||
<h4>验证 AUFS 的写时复制</h4>
|
||
<p>AUFS 的写时复制是指在容器中，只有需要修改某个文件时，才会把文件从镜像层复制到容器层，下面我们通过修改联合挂载目录 mnt 下的内容来验证下这个过程。</p>
|
||
<p>我们使用以下命令修改 mnt 目录下的 image1.txt 文件：</p>
|
||
<pre><code>/tmp/aufs$ echo Hello, Image layer1 changed! > mnt/image1.txt
|
||
</code></pre>
|
||
<p>然后我们查看下 image1/image1.txt 文件内容：</p>
|
||
<pre><code>/tmp/aufs$ cat image1/image1.txt
|
||
Hello, Image layer1!
|
||
</code></pre>
|
||
<p>发现“镜像层”的 image1.txt 文件并未被修改。
|
||
然后我们查看一下"容器层"对应的 image1.txt 文件内容：</p>
|
||
<pre><code>/tmp/aufs$ ls -l container1/
|
||
total 8
|
||
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 24 Sep 9 16:55 container1.txt
|
||
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 29 Sep 9 17:21 image1.txt
|
||
## 查看文件内容
|
||
/tmp/aufs$ cat container1/image1.txt
|
||
Hello, Image layer1 changed!
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</code></pre>
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<p>发现 AUFS 在“容器层”自动创建了 image1.txt 文件，并且内容为我们刚才写入的内容。</p>
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<p>至此，我们完成了 AUFS 写时复制的验证。我们在第一次修改镜像内某个文件时，AUFS 会复制这个文件到容器层，然后在容器层对该文件进行修改操作，这就是 AUFS 最典型的特性写时复制。</p>
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<h3>结语</h3>
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<p>到此，相信你知道了联合文件系统是一种分层的轻量级文件系统，它可以把多个目录内容联合挂载到同一目录下，从而形成一个单一的文件系统。同时也学会了如何配置 Docker 使用 AUFS ，并且明白了 AUFS 的工作原理。</p>
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<p>那么你知道 AUFS 为什么一直没能成功进入 Linux 内核主线吗？ 思考后，可以把你的想法写在留言区。</p>
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<p>下一课时，我将讲解 Docker 的另一个文件存储驱动：Devicemapper 文件系统原理及生产环境的最佳配置。</p>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/13 数据存储：剖析 Docker 卷与持久化数据存储的底层原理.md.html">上一页</a>
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<a href="/专栏/由浅入深吃透 Docker-完/15 文件存储驱动：Devicemapper 文件系统原理及生产环境的最佳配置.md.html">下一页</a>
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<a class="off-canvas-overlay" onclick="hide_canvas()"></a>
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</body>
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<!-- Global site tag (gtag.js) - Google Analytics -->
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<script async src="https://www.googletagmanager.com/gtag/js?id=G-NPSEEVD756"></script>
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<script>
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window.dataLayer = window.dataLayer || [];
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function gtag() {
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dataLayer.push(arguments);
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}
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gtag('js', new Date());
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gtag('config', 'G-NPSEEVD756');
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var path = window.location.pathname
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var cookie = getCookie("lastPath");
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console.log(path)
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if (path.replace("/", "") === "") {
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if (cookie.replace("/", "") !== "") {
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console.log(cookie)
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document.getElementById("tip").innerHTML = "<a href='" + cookie + "'>跳转到上次进度</a>"
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}
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} else {
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setCookie("lastPath", path)
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}
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function setCookie(cname, cvalue) {
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var d = new Date();
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d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
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var expires = "expires=" + d.toGMTString();
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document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
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}
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function getCookie(cname) {
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var name = cname + "=";
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var ca = document.cookie.split(';');
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for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
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var c = ca[i].trim();
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if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
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}
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return "";
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}
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</script>
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</html>
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