Docker 魔法解密：探索 UnionFS 与 OverlayFS

本文主要介绍了 Docker 的另一个核心技术：Union File System。主要包括对 overlayfs 的演示，以及分析 docker 是如何借助 ufs 实现容器 rootfs 的。

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1. 概述

Union File System

Union File System ，简称 UnionFS 是一种为 Linux FreeBSD NetBSD 操作系统设计的，把其他文件系统联合到一个联合挂载点的文件系统服务。

它使用 branch 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 branches 或者是 read-only 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。看起来这个虚拟后的联合文件系统是可以对任何文件进行操作的，但是其实它并没有改变原来的文件，这是因为 unionfs 用到了一个重要的资管管理技术叫写时复制。

写时复制（copy-on-write，下文简称 CoW），也叫隐式共享，是一种对可修改资源实现高效复制的资源管理技术。

它的思想是，如果一个资源是重复的，但没有任何修改，这时候并不需要立即创建一个新的资源，这个资源可以被新旧实例共享。

创建新资源发生在第一次写操作，也就是对资源进行修改的时候。通过这种资源共享的方式，可以显著地减少未修改资源复制带来的消耗，但是也会在进行资源修改的时候增减小部分的开销。

UnionFS，最主要的功能是将多个不同位置的目录联合挂载（union mount）到同一个目录下。

比如，我现在有两个目录 A 和 B，它们分别有两个文件：

$ tree
.
├── A
│  ├── a
│  └── x
└── B
  ├── b
  └── x

然后，我使用联合挂载的方式，将这两个目录挂载到一个公共的目录 C 上：

$ mkdir C
$ mount -t aufs -o dirs=./A:./B none ./C

这时，我再查看目录 C 的内容，就能看到目录 A 和 B 下的文件被合并到了一起：

$ tree ./C
./C
├── a
├── b
└── x

可以看到，在这个合并后的目录 C 里，有 a、b、x 三个文件，并且 x 文件只有一份。这，就是“合并”的含义。

这就是联合文件系统，目的就是将多个文件联合在一起成为一个统一的视图。

常见实现

AUFS

AuFS 的全称是 Another UnionFS，后改名为 Alternative UnionFS，再后来干脆改名叫作 Advance UnionFS。

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 的一些实现已经被纳入 UnionFS 2.x 版本。

AUFS 只是 Docker 使用的存储驱动的一种，除了 AUFS 之外，Docker 还支持了不同的存储驱动，包括 aufs、devicemapper、overlay2、zfs 和 vfs 等等，在最新的 Docker 中，overlay2 取代了 aufs 成为了推荐的存储驱动，但是在没有 overlay2 驱动的机器上仍然会使用 aufs 作为 Docker 的默认驱动。

overlayfs

Overlayfs 是一种类似 aufs 的一种堆叠文件系统，于 2014 年正式合入 Linux-3.18 主线内核，目前其功能已经基本稳定（虽然还存在一些特性尚未实现）且被逐渐推广，特别在容器技术中更是势头难挡。

Overlayfs 是一种堆叠文件系统，它依赖并建立在其它的文件系统之上（例如 ext4fs 和 xfs 等等），并不直接参与磁盘空间结构的划分，仅仅将原来底层文件系统中不同的目录进行“合并”，然后向用户呈现。

简单的总结为以下 3 点：

  • 1）上下层同名目录合并；
  • 2）上下层同名文件覆盖；
  • 3）lower dir 文件写时拷贝。

这三点对用户都是不感知的。

假设我们有 dir1 和 dir2 两个目录：

  dir1                    dir2
    /                       /
      a                       a
      b                       c

然后我们可以把 dir1 和 dir2 挂载到 dir3 上，就像这样：

 dir3
    /
      a
      b
      c

需要注意的是：在 overlay 中 dir1 和 dir2 是有上下关系的。lower 和 upper 目录不是完全一致，有一些区别，具体见下一节。

2. overlayfs 演示

当前 overlayfs 比较主流，因此使用 overlayfs 进行演示。

环境准备

具体演示如下：

创建一个如下结构的目录：

.
├── lower
│   ├── a
│   └── c
├── merged
├── upper
│   ├── a
│   └── b
└── work

具体命令如下：

mkdir ./{merged,work,upper,lower}
touch ./upper/{a,b}
touch ./lower/{a,c}

然后进行 mount 操作：

# -t overlay 表示文件系统为 overlay
# -o lowerdir=./lower,upperdir=./upper,workdir=./work 指定 lowerdir、upperdir以及 workdir这3个目录。
# 其中 lowerdir 是自读的，upperdir是可读写的，
 sudo mount 
            -t overlay 
            overlay 
            -o lowerdir=./lower,upperdir=./upper,workdir=./work 
            ./merged

此时目录结构如下：

.
├── lower
│   ├── a
│   └── c
├── merged
│   ├── a
│   ├── b
│   └── c
├── upper
│   ├── a
│   └── b
└── work
    └── work

可以看到，merged 目录已经可以同时看到 lower 和 upper 中的文件了，而由于文件 a 同时存在于 lower 和 upper 中，因此 lower 中的被覆盖了，只显示了一个 a。

linux-ufs-read

修改文件

虽然 lower 和 upper 中的文件都出现在了 merged 目录，但是二者还是有区别的。

lower 为底层目录，只提供数据，不能写。

upper 为上层目录，是可读写的。

测试：

# 分别对 merged 中的文件b和c写入数据
# 其中文件 c 来自 lower，b来自 upper
echo "will-persist"  > ./merged/b
echo "wont-persist"  > ./merged/c

修改后从 merged 这个视图进行查看：

$ cat ./merged/b
will-persist
$ cat ./merged/c
wont-persist

可以发现，好像两个文件都被更新了，难道上面的结论是错的？

再从 upper 和 lower 视角进行查看：

$ cat ./upper/b
will-persist
$ cat ./lower/c
(empty)

可以发现 lower 中的文件 c 确实没有被改变。

那么 merged 中查看的时候，文件 c 为什么有数据呢？

由于 lower 是不可写的，因此采用了 CoW 技术，在对 c 进行修改时，复制了一份数据到 overlay 的 upper dir，即这里的 upper 目录，进入 upper 目录查看是否存在 c 文件：

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ upper]$ ll
total 8
-rw-r--r-- 1 root root  0 Jan 18 18:50 a
-rw-r--r-- 1 root root 13 Jan 18 19:10 b
-rw-r--r-- 1 root root 13 Jan 18 19:10 c
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ upper]$ cat c
wont-persist

可以看到，upper 目录中确实存在了 c 文件，

因为是从 lower copy 到 upper，因此也叫做 copy_up。

linux-ufs-edit

删除文件

首先往 lower 目录中写入一个文件 f

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ ufs]$  cd lower/
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ lower]$ echo fff >> f

然后到 merge 目录查看，能否看到文件 f

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ lower]$ ls ../merged/
f

果然 lower 中添加后，merged 中也能直接看到了。

然后再 merged 中去删除文件 f：

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ lower]$ cd ../merged/
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ rm -rf f
# merged 中删除后 lower 中文件还在
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ ls ../lower/
a  c  e  f
# 而 upper 中出现了一个大小为0的c类型文件f
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]# ls -l ../upper/
total 0
c--------- 1 root root 0, 0 Jan 18 19:28 f

可以发现，overlay 中删除 lower 中的文件，其实也是在 upper 中创建一个标记，表示这个文件已经被删除了，而不会真正删除 lower 中的文件。

测试一下：

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ rm -rf ../upper/f
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ ls
f
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ cat f
fff

把 upper 中的大小为 0 的 f 文件给删掉后，merged 中又可以看到 lower 中 f 了，而且内容也是一样的。

说明 overlay 中的删除其实是标记删除。再 upper 中添加一个删除标记，这样该文件就被隐藏了，从 merged 中看到的效果就是文件被删除了。

删除文件或文件夹时，会在 upper 中添加一个同名的 c 标识的文件，这个文件叫 whiteout 文件。

当扫描到此文件时，会忽略此文件名。

linux-ufs-delete

添加文件

最后再试一下添加文件

# 首先在 merged 中创建文件 g
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ echo ggg >> g
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ ls
g
# 然后查看 upper，发现也存在文件 g
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ ls ../upper/
g
# 在查看内容，发送是一样的
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ cat ../upper/g
ggg

说明 overlay 中添加文件其实就是在 upper 中添加文件。

测试一下删除会怎么样呢：

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ rm -rf ../upper/g
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ merged]$ ls
f

把 upper 中的文件 g 删除了，果然 merged 中的文件 g 也消失了。

linux-ufs-add

3. docker 是如何使用 overlay 的？

上一节分析了 overlayfs 具体使用，这里分享一下 docker 是怎么使用 overlayfs。

大致流程

每一个 Docker image 都是由一系列的 read-only layers 组成：

  • image layers 的内容都存储在 Docker hosts filesystem 的 /var/lib/docker/aufs/diff 目录下
  • 而 /var/lib/docker/aufs/layers 目录则存储着 image layer 如何堆栈这些 layer 的 metadata。

docker 支持多种 graphDriver，包括 vfs、devicemapper、overlay、overlay2、aufs 等等，其中最常用的就是 aufs 了，但随着 linux 内核 3.18 把 overlay 纳入其中，overlay 的地位变得更重。

docker info命令可以查看 docker 的文件系统。

$ docker info
# ...
 Storage Driver: overlay2
#...

比如这里用的就是 overlay2。

例如，假设我们有一个由两层组成的容器镜像：

   layer1:                 layer2:
    /etc                    /bin
      myconf.ini              my-binary

然后，在容器运行时将把这两层作为 lower 目录，创建一个空upper目录，并将其挂载到某个地方：

sudo mount 
            -t overlay 
            overlay 
            -o lowerdir=/layer1:/layer2,upperdir=/upper,workdir=/work 
            /merged

最后将/merged用作容器的 rootfs。

这样，容器中的文件系统就完成了。

具体分析

以构建镜像方式演示以下 docker 是如何使用 overlayfs 的。

先拉一下 Ubuntu:20.04 的镜像：

$ docker pull ubuntu:20.04
20.04: Pulling from library/ubuntu
Digest: sha256:626ffe58f6e7566e00254b638eb7e0f3b11d4da9675088f4781a50ae288f3322
Status: Downloaded newer image for ubuntu:20.04
docker.io/library/ubuntu:20.04

然后写个简单的 Dockerfile ：

 FROM ubuntu:20.04

 RUN echo "Hello world" > /tmp/newfile

开始构建：

$ docker build -t hello-ubuntu .
Sending build context to Docker daemon  2.048kB
Step 1/2 : FROM ubuntu:20.04
 ---> ba6acccedd29
Step 2/2 : RUN echo "Hello world" > /tmp/newfile
 ---> Running in ee79bb9802d0
Removing intermediate container ee79bb9802d0
 ---> 290d8cc1f75a
Successfully built 290d8cc1f75a
Successfully tagged hello-ubuntu:latest

查看构建好的镜像：

$ docker images
REPOSITORY                                             TAG            IMAGE ID       CREATED          SIZE
hello-ubuntu                                           latest         290d8cc1f75a   13 minutes ago   72.8MB
ubuntu                                                 20.04          ba6acccedd29   3 months ago     72.8MB

使用docker history命令，查看镜像使用的 image layer 情况：

$ docker history hello-ubuntu
IMAGE          CREATED          CREATED BY                                      SIZE      COMMENT
290d8cc1f75a   22 seconds ago   /bin/sh -c echo "Hello world" > /tmp/newfile    12B
ba6acccedd29   3 months ago     /bin/sh -c #(nop)  CMD ["bash"]                 0B
<missing>      3 months ago     /bin/sh -c #(nop) ADD file:5d68d27cc15a80653…   72.8MB

带 missing 标记的 layer 是自 Docker 1.10 之后，一个镜像的 image layer image history 数据都存储在 个文件中导致的，这是 Docker 官方认为的正常行为。

可以看到，290d8cc1f75a 这一层在最上面，只用了 12Bytes，而下面的两层都是共享的，这也证明了 AUFS 是如何高效使用磁盘空间的。

然后去找一下具体的文件：

docker 默认的存储目录是/var/lib/docker,具体如下：

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ docker]$ ls -al
total 24
drwx--x--x  13 root root   167 Jul 16  2021 .
drwxr-xr-x. 42 root root  4096 Oct 13 15:07 ..
drwx--x--x   4 root root   120 May 24  2021 buildkit
drwx-----x   7 root root  4096 Jan 17 20:25 containers
drwx------   3 root root    22 May 24  2021 image
drwxr-x---   3 root root    19 May 24  2021 network
drwx-----x  53 root root 12288 Jan 17 20:25 overlay2
drwx------   4 root root    32 May 24  2021 plugins
drwx------   2 root root     6 Jul 16  2021 runtimes
drwx------   2 root root     6 May 24  2021 swarm
drwx------   2 root root     6 Jan 17 20:25 tmp
drwx------   2 root root     6 May 24  2021 trust
drwx-----x   5 root root   266 Dec 29 14:31 volumes

在这里，我们只关心image和overlay2就足够了。

  • image：镜像相关
  • overlay2：docker 文件所在目录，也可能不叫这个名字，具体和文件系统有关，比如可能是 aufs 等。

先看 image目录：

docker 会在/var/lib/docker/image目录下按每个存储驱动的名字创建一个目录，如这里的overlay2。

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ docker]$ cd image/
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ image]$ ls
overlay2
# 看下里面有哪些文件
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ image]$ tree -L 2 overlay2/
overlay2/
├── distribution
│   ├── diffid-by-digest
│   └── v2metadata-by-diffid
├── imagedb
│   ├── content
│   └── metadata
├── layerdb
│   ├── mounts
│   ├── sha256
│   └── tmp
└── repositories.json

这里的关键地方是imagedb和layerdb目录，看这个目录名字，很明显就是专门用来存储元数据的地方。

  • layerdb：docker image layer 信息
  • imagedb：docker image 信息

因为 docker image 是由 layer 组成的，而 layer 也已复用，所以分成了 layerdb 和 imagedb。

先去 imagedb 看下刚才构建的镜像：

$  cd overlay2/imagedb/content/sha256
$ ls
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ sha256]# ls
0c7ea9afc0b18a08b8d6a660e089da618541f9aa81ac760bd905bb802b05d8d5  61ad638751093d94c7878b17eee862348aa9fc5b705419b805f506d51b9882e7
// .... 省略
b20b605ed599feb3c4757d716a27b6d3c689637430e18d823391e56aa61ecf01
60d84e80b842651a56cd4187669dc1efb5b1fe86b90f69ed24b52c37ba110aba  ba6acccedd2923aee4c2acc6a23780b14ed4b8a5fa4e14e252a23b846df9b6c1

可以看到，都是 64 位的 ID，这些就是具体镜像信息，刚才构建的镜像 ID 为290d8cc1f75a,所以就找290d8cc1f75a开头的文件：

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ sha256]$ cat 290d8cc1f75a4e230d645bf03c49bbb826f17d1025ec91a1eb115012b32d1ff8
{"architecture":"amd64","config":{"Hostname":"","Domainname":"","User":"","AttachStdin":false,"AttachStdout":false,"AttachStderr":false,"Tty":false,"OpenStdin":false,"StdinOnce":false,"Env":["PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"],"Cmd":["bash"],"Image":"sha256:ba6acccedd2923aee4c2acc6a23780b14ed4b8a5fa4e14e252a23b846df9b6c1","Volumes":null,"WorkingDir":"","Entrypoint":null,"OnBuild":null,"Labels":null},"container":"ee79bb9802d0ff311de6d606fad35fa7e9ab0c1cb4113837a50571e79c9454df","container_config":{"Hostname":"","Domainname":"","User":"","AttachStdin":false,"AttachStdout":false,"AttachStderr":false,"Tty":false,"OpenStdin":false,"StdinOnce":false,"Env":["PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin"],"Cmd":["/bin/sh","-c","echo "Hello world" u003e /tmp/newfile"],"Image":"sha256:ba6acccedd2923aee4c2acc6a23780b14ed4b8a5fa4e14e252a23b846df9b6c1","Volumes":null,"WorkingDir":"","Entrypoint":null,"OnBuild":null,"Labels":null},"created":"2022-01-17T12:25:14.91890037Z","docker_version":"20.10.6","history":[{"created":"2021-10-16T00:37:47.226745473Z","created_by":"/bin/sh -c #(nop) ADD file:5d68d27cc15a80653c93d3a0b262a28112d47a46326ff5fc2dfbf7fa3b9a0ce8 in / "},{"created":"2021-10-16T00:37:47.578710012Z","created_by":"/bin/sh -c #(nop)  CMD ["bash"]","empty_layer":true},{"created":"2022-01-17T12:25:14.91890037Z","created_by":"/bin/sh -c echo "Hello world" u003e /tmp/newfile"}],"os":"linux","rootfs":{"type":"layers","diff_ids":["sha256:9f54eef412758095c8079ac465d494a2872e02e90bf1fb5f12a1641c0d1bb78b","sha256:b3cce2ce0405ffbb4971b872588c5b7fc840514b807f18047bf7d486af79884c"]}}

这就是 image 的 metadata，这里主要关注 rootfs：

# 和 docker inspect 命令显示的内容差不多
// ...
"rootfs":{"type":"layers","diff_ids":
[
"sha256:9f54eef412758095c8079ac465d494a2872e02e90bf1fb5f12a1641c0d1bb78b",
"sha256:b3cce2ce0405ffbb4971b872588c5b7fc840514b807f18047bf7d486af79884c"
]
}
// ...

可以看到 rootfs 的 diff_ids 是一个包含了两个元素的数组，这两个元素就是组成 hello-ubuntu 镜像的两个 Layer 的diffID。

从上往下看，就是底层到顶层，即9f54eef412...是 image 的最底层。

然后根据 layerID 去layerdb目录寻找对应的 layer：

[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ overlay2]# tree -L 2 layerdb/
layerdb/
├── mounts
├── sha256
└── tmp

在这里我们只管mounts和sha256两个目录，先打印以下 sha256 目录

$ cd /var/lib/docker/image/overlay2/layerdb/sha256/
$ ls
05dd34c0b83038031c0beac0b55e00f369c2d6c67aed11ad1aadf7fe91fbecda
// ... 省略
6aa07175d1ac03e27c9dd42373c224e617897a83673aa03a2dd5fb4fd58d589f

可以看到，layer 里也是 64 位随机 ID 构成的目录，找到刚才 hello-ubuntu 镜像的最底层 layer：

$ cd 9f54eef412758095c8079ac465d494a2872e02e90bf1fb5f12a1641c0d1bb78b
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ 9f54eef412758095c8079ac465d494a2872e02e90bf1fb5f12a1641c0d1bb78b]$ ls
cache-id  diff  size  tar-split.json.gz

文件含义如下：

  • cache-id：为具体/var/lib/docker/overlay2/<cache-id>存储路径
  • diff：diffID，用于计算 ChainID
  • size：当前 layer 的大小

docker 使用了 chainID 的方式来保存 layer，layer.ChainID 只用本地，根据 layer.DiffID 计算，并用于 layerdb 的目录名称。

chainID 唯一标识了一组（像糖葫芦一样的串的底层）diffID 的 hash 值，包含了这一层和它的父层(底层)，

  • 当然这个糖葫芦可以有一颗山楂，也就是 chainID(layer0)==diffID(layer0)；
  • 对于多颗山楂的糖葫芦，ChainID(layerN) = SHA256hex(ChainID(layerN-1) + " " + DiffID(layerN))。
# 查看 diffID，
$ cat diff
sha256:9f54eef412758095c8079ac465d494a2872e02e90bf1fb5f12a1641c0d1bb78b

由于这是 layer0,所以 chainID 就是 diffID，然后开始计算 layer1 的 chainID：

ChainID(layer1) = SHA256hex(ChainID(layer0) + " " + DiffID(layer1))

layer0 的 chainID 是9f54...,而 layer1 的 diffID 根据 rootfs 中的数组可知，为b3cce...

计算 ChainID：

$ echo -n "sha256:9f54eef412758095c8079ac465d494a2872e02e90bf1fb5f12a1641c0d1bb78b sha256:b3cce2ce0405ffbb4971b872588c5b7fc840514b807f18047bf7d486af79884c" | sha256sum| awk '{print $1}'
6613b10b697b0a267c9573ee23e54c0373ccf72e7991cf4479bd0b66609a631c

一定注意要加上 “sha256:”和中间的空格“ ” 这两部分。

因此 layer1 的 chainID 就是6613...

找到 layerdb 里面以sha256+6613 开头的目录

$ cd /var/lib/docker/image/overlay2/layerdb/sha2566613b10b697b0a267c9573ee23e54c0373ccf72e7991cf4479bd0b66609a631c
# 根据这个大小可以知道，就是hello-ubuntu 镜像的最上面层 layer
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ 6613b10b697b0a267c9573ee23e54c0373ccf72e7991cf4479bd0b66609a631c]$ cat size
12
# 查看 cache-id 找到 文件系统中的具体位置
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ 6613b10b697b0a267c9573ee23e54c0373ccf72e7991cf4479bd0b66609a631c]$ cat cache-id
83b569c0f5de093192944931e4f41dafb2d7f80eae97e4bd62425c20e2079f65

根据 cache-id 进入具体数据存储目录：

格式为 /var/lib/docker/overlay2/<cache-id>

# 进入刚才生成的目录
$ cd /var/lib/docker/overlay2/83b569c0f5de093192944931e4f41dafb2d7f80eae97e4bd62425c20e2079f65
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ 83b569c0f5de093192944931e4f41dafb2d7f80eae97e4bd62425c20e2079f65]# ls -al
total 24
drwx-----x  4 root root    55 Jan 17 20:25 .
drwx-----x 53 root root 12288 Jan 17 20:25 ..
drwxr-xr-x  3 root root    17 Jan 17 20:25 diff
-rw-r--r--  1 root root    26 Jan 17 20:25 link
-rw-r--r--  1 root root    28 Jan 17 20:25 lower
drwx------  2 root root     6 Jan 17 20:25 work
# 查看 diff 目录
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ
83b569c0f5de093192944931e4f41dafb2d7f80eae97e4bd62425c20e2079f65]$ cd diff/
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ diff]$ ls
tmp
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ diff]$ cd tmp/
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ tmp]$ ls
newfile
[root@iZ2zefmrr626i66omb40ryZ tmp]# cat newfile
Hello world

可以看到，我们新增的 newfile 就在这里。

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4. 参考

a practical look into overlayfs

overlayfs.txt

docker-overlay2 文件系统