OverlayFS，顧名思義是一種堆疊文件系統，可以將多個目錄的內容疊加到另一個目錄上。OverlayFS并不直接涉及磁盤空間結構，看起來像是將多個目錄的文件按照規則合并到同一個目錄。且對多個源目錄具體使用文件系統類型沒有要求，即使各個源目錄的文件系統類型不同也不影響使用。

一、掛載OverlayFS

下面就讓我們來看看如何掛載一個OverlayFS文件系統：

mount-t overlay -o lowerdir=/lower，upperdir=/upper，workdir=/work overlay /merged

上面的命令可以將“lowerdir”和“upper”目錄堆疊到/merged目錄，“workdir”工作目錄要求是和“upperdir”目錄同一類型文件系統的空目錄。

也可以省略upperdir和workdir參數，但/merged為只讀屬性了：

mount-t overlay -o lowerdir=/upper:/lower overlay /merged

也可支持多lowerdir目錄堆疊：

mount-t overlay -o lowerdir=/lower1:/lower2:/lower3，upperdir=/upper，workdir=/workoverlay /merged

lowerdir的多層目錄使用“：”分隔開，其中層級關系為/lower1》 /lower2 》 /lower3。

在使用如上mount進行OverlayFS合并之后，遵循如下規則：? lowerdir和upperdir兩個目錄存在同名文件時，lowerdir的文件將會被隱藏，用戶只能看到upperdir的文件。

? lowerdir低優先級的同目錄同名文件將會被隱藏。? 如果存在同名目錄，那么lowerdir和upperdir目錄中的內容將會合并。

? 當用戶修改mergedir中來自upperdir的數據時，數據將直接寫入upperdir中原來目錄中，刪除文件也同理。

? 當用戶修改mergedir中來自lowerdir的數據時，lowerdir中內容均不會發生任何改變。因為lowerdir是只讀的，用戶想修改來自lowerdir數據時，overlayfs會首先拷貝一份lowerdir中文件副本到upperdir中（這也被稱作OverlayFS的copy-up特性）。后續修改或刪除將會在upperdir下的副本中進行，lowerdir中原文件將會被隱藏。

? 如果某一個目錄單純來自lowerdir或者lowerdir和upperdir合并，默認無法進行rename系統調用。但是可以通過mv重命名。如果要支持rename，需要CONFIG_OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR。

一般lowerdir為只讀文件系統，upperdir為可寫文件系統，這形成了一個有趣的機制，似乎我們可以修改lowerdir下的文件或目錄，lowerdir看上去變成了一個可讀寫的文件系統。

二、刪除文件和目錄

為了支持rm和rmdir而又不修改lower文件系統，需要在upper文件系統中記錄文件或目錄已經被刪除。OverlayFS引入了whiteout文件的概念。如果需要刪除lower層的文件或目錄，需要在upper層創建一個whiteout文件。

可以看到刪除merged目錄下的文件或目錄后，在upper層新建了aa、bb、dir三個whiteout文件，whiteout文件不是普通文件，而是主/次設備號都是0的字符設備。只存在于upper的文件cc直接刪除就可以了。

三、創建文件和目錄

創建操作與刪除操作類似，都是在upper層進行修改。創建文件直接在upper層新增文件即可，如果upper層存在對應的whiteout文件，先刪除whiteout文件再創建文件。創建目錄與創建文件類似，區別在于upper層存在whiteout文件時，刪掉whiteout文件創建目錄，如果就此結束，lower層對應目錄（因為有whiteout文件）的文件就被顯示到merged目錄了，所以還需要將目錄的“trusted.overlay.opaque”屬性設為“y”（所以這也就需要upper層所在的文件系統支持xattr擴展屬性），OverlayFS在讀取上下層存在同名目錄的目錄項時，如果upper層的目錄被設置了opaque屬性，它將忽略這個目錄下層的所有同名目錄中的目錄項，以保證新建的目錄是一個空的目錄。

四、rename目錄

當我們想重命名一個在lower層的目錄，OverlayFS有兩種處理方式：

1. 返回EXDEV錯誤碼：rename系統調用試圖穿過文件系統邊界移動一個文件或目錄時返回這個錯誤。這個是默認行為。

2. 當使能“redirect_dir”特性后，rename操作成功，在upper層產生一個副本目錄。

有以下幾種方式控制“redirect_dir”特性：

1. KernelConfig Options：

? OVERLAY_FS_REDIRECT_DIR

? OVERLAY_FS_REDIRECT_ALWAYS_FOLLOW

使能后，redirect_dir特性默認打開。

2. sys文件系統：

參照KernelConfig設置：

/sys/module/overlay/parameters/redirect_dir

/sys/module/overlay/parameters/redirect_always_follow

/sys/module/overlay/parameters/redirect_max

3. MountOptions：

redirect_dir=on/off/follow/nofollow

五、Android中的應用

OverlayFS文件系統可以類似達到把只讀文件系統改為可寫文件系統的效果，這一特性在Android開發的場景下得到應用，userdebug模式下我們adbremount后似乎就可以往/system/目錄下push內容了，查看remount前后的mount信息，可以看到/system/目錄被重新掛載成可讀寫的OverlayFS文件系統了：

remount前：

remount后：

重啟：

system、vendor、product等目錄是以ext4文件系統方式掛載的，remount后以OverlayFS掛載，之后重啟也會以OverlayFS方式掛載，以使之前的修改生效。

system和vendor等的upperdir都在/cache可寫文件系統中，往/system目錄push東西實際上都存放在/cache/overlay/system/upper目錄中了。實際的system分區并沒有被修改，修改的文件全部存放在cache分區了。

OverlayFS也被應用在把多個不同分區的目錄堆疊到一個目錄下面，可以更好做到軟件系統的組件解耦，不同特性的組件內容分別放到不同分區，最后通過OverlayFS堆疊到一個目錄下，提升軟件的可維護性。

六、小結

OverlayFS以其獨特的優勢正得到越來越廣泛的應用，Androiduserdebug/eng模式中使用其實現對系統分區的修改。OpenWRT系統也利用OverlayFS減少擦寫閃存的次數，延長閃存的使用壽命。OverlayFS更多的應用在云平臺的容器鏡像，基礎的容器鏡像通常不應被改變，新功能疊加可以通過OverlayFS實現且可以再次分發。

參考文獻

1. https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/overlayfs.html

2. https://blog.csdn.net/luckyapple1028/article/details/78075358

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