【原理】Docker存储驱动之AUFS

编者按:今天聊一聊Docker的Image(镜像)与Container(容器)的存储以及存储驱动之AUFS。

 

Docker存储驱动简介

 

Docker内置多种存储驱动,每种存储驱动都是基于Linux文件系统(Linux FS)或者卷管理(Volume Manager)技术。一般来说,Docker存储驱动的名称与文件系统(存储技术)同名,见下表对应关系:

 

 

AUFS简介

 

AUFS,起初名为AnotherUnionFileSystem,是一种UnionFS,V2版本后更名为 advanced multi‐layered unification fileystem,即高级多层统一文件系统。

 

AUFS是一位名为岡岛纯二郎的日本人于2006年基于UnionFS开发的,目的也是为了提高其可靠性和性能,也在AUFS上实现了一些新的概念比如写分支平衡等(writeable branchbalancing)。

 

纯二郎先生曾多次提交aufs到linux主干,但一直被拒绝,可纯二郎依旧日以继夜的修改代码,并不断提交,可一直没有被merge,而纯二郎最终也放弃提交代码到linux主干,从而aufs也一直没有进入linux内核。关于为何linux不要aufs,主要是aufs代码太糟糕,“dense,unreadable,and uncommented”,乱,可读性差,没注释...。

 

Tips:虽然AUFS没有进入Liunx内核,但是Ubuntu系统使用AUFS作为默认的存储驱动,Docker早期仅支持Ubuntu便是这个原因。

 

AUFS核心概念

 

将多个目录合并成一个虚拟文件系统,成员目录称为虚拟文件系统的一个分支(branch)。

 

例如,把 /tmp, /var, /opt三个目录联合挂着到 /aufs目录下,则 /aufs目录可见 /tmp, /var, /opt目录下的所有文件。而每个成员目录,则称为虚拟文件系统的一个branch。

 

 

每个branch可以指定 readwrite/whiteout‐able/readonly权限,只读(ro),读写(rw),写隐藏(wo)。一般情况下,aufs只有最上层的branch具有读写权限,其余branch均为只读权限。只读branch只能逻辑上修改。

 

例如,把/tmp目录和 /var目录联合挂载到 /aufs目录下, /var目录挂载为顶层branch具有rw权限,而 /tmp目录挂载为下层branch,具有ro权限。如果把 /tmp目录 /var目录 /opt目录联合挂载到 /aufs目录下,只有最顶层 /optbranch具有rw权限,下层branch均为ro权限。

 

 

Tips:mount ­t aufs ­obr=/tmp:/var:/opt none /aufs

 

该指令联合挂载 /tmp, /var, /opt至挂载点 /aufs,按照从左到右的顺序 /tmp位于顶层branch,而 /opt位于最底层branch,所有的branch按照顺序共同构成 /aufs栈。

 

AUFS每层branch可以动态的增加删除,每增加一层,下层默认置为ro,最上一层为rw。删除branch是在aufs挂载点移除,并未删除挂载目录。

 

Docker中的AUFS

 

AUFS是Docker使用的第一个存储驱动,长时间以来,一直很稳定。虽然目前Docker支持多种存储驱动,而在Ubuntu中默认使用aufs存储驱动,可以使用Docker info指令进行查看。对于Docker而言,AUFS有很多优秀的特点,比如快速启动容器,高效存储利用率,高效内存利用率等。

 

Docker镜像和AUFS branch对应关系

 

Docker镜像(Image)是由一个或多个AUFS branch组成,并且所有的branch均为只读权限。简单来说,AUFS所有robranch按照一定顺序堆积构成Docker Image镜像

 

在运行容器的时候,创建一个AUFS branch位于image层之上,具有rw权限,并把这些branch联合挂载到一个挂载点下。这就是Docker能够一个镜像运行多个容器的原理所在。

 

例如,Image有3个目录位于 /var/lib/docker/aufs/diff/文件夹内,当基于该Image创建容器时,创建一个容器运行目录,同样位于/var/lib/docker/aufs/diff/目录下,并使用aufs联合挂载Image目录和Container目录到 /var/lib/docker/aufs/mnt/目录下。

 

每一个目录在aufs内都是一层branch,只有顶层容器branch可读写,下层Image branch均只读。创建多个容器时,只需创建多个容器运行目录,使用aufs把容器运行目录挂载在Image目录之上,即实现一个Image运行多个Container。

 

 

如上图中基于同一个Image运行两个容器,低层Image一致,每启动一个新容器,便会新建一个目录作为aufs branch并与Image branch进行联合挂载。

 

 

容器文件读写与删除

 

当容器需要修改一个文件,而该文件位于低层branch时,顶层branch会直接复制低层branch的文件至顶层再进行修改,而低层的文件不变,这种方式即是CoW技术(写复制),AUFS默认支持Cow技术。

 

当容器删除一个低层branch文件时,只是在顶层branch对该文件进行重命名并隐藏,实际并未删除文件,只是不可见,这种方式即AUFS的whiteout(写隐藏)。

 

下图所示,容器层所见file1文件为镜像层文件,当需要修改file1时,会从镜像层把文件复制到容器层,然后进行修改,从而保证镜像层数据的完整性和复用性。

 

 

下图所示,当需要删除file1时,由于file1是镜像层文件,容器层会创建一个 .wh前置的隐藏文件,从而实现对file1的隐藏,实际并未删除file1,从而保证镜像层数据的完整性和复用性。

 

 

Docker本地存储目录

 

Docker镜像存在在/var/lib/docker/aufs/diff/目录下。/var/lib/docker/aufs/layers/目录存储image的元信息,主要是image的每一层layer组织顺序(AUFS branch堆积顺序)。

 

Docker容器挂载点位于/var/lib/docker/aufs/mnt/目录下,该目录即为AUFS联合挂载点。

 

Tips:早期镜像的每一层数据存储在/var/lib/docker/aufs/diff/目录下,镜像ID与目录名同名,从docker v1.10 版本之后镜像ID不再与 /var/lib/docker/aufs/diff/目录下的目录同名,而是采用一个安全的hash值作为镜像存储文件夹名称。

 

总结

 

采用AUFS作为 Docker的容器存储驱动,使用AUFS技术,能够提供如下好处:

 

  • 节省存储空间:多个容器可以共享基础镜像(Base Image)存储;

 

  • 快速部署:如果要部署多个容器,基础镜像(Base Image)可以避免多次拷贝;

 

  • 内存更省:因为多个容器共享Base Image,以及OS的Disk缓存机制,多个容器中的进程命中缓存内容的几率大大增加;

 

  • 允许在不更改基础镜像的同时修改其目录中的文件:所有写操作都发生在最上层的writeable层中,这样可以大大增加Base Image能共享的文件内容。

 

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