Linux OverlayFS 文件系统源代码深度分析

1. 简介

1.1 OverlayFS的概述

OverlayFS是一种联合文件系统，它被设计用于将多个文件系统层级合并为一个统一的视图。这种机制最早于Linux 3.18版本中引入，并迅速在容器技术中得到了广泛应用。OverlayFS通过分层管理文件系统的上层和下层（通常称为upper和lower），提供了一种高效的“写时复制”（Copy-on-Write, COW）机制。它使得容器或虚拟环境在修改基础文件系统内容时无需真正改变底层文件，而是只在上层生成新的文件副本。这种架构的优点在于极大地提高了文件系统的灵活性，同时减少了存储需求和操作的复杂性。

主要特性：

• 轻量级：OverlayFS在底层结构上极简，减少了额外的管理开销。
• 写时复制：所有写操作会在上层产生新文件，而不会直接修改下层数据，确保原始数据的完整性。
• 多层支持：尽管常见的OverlayFS配置通常包含两层，但在某些高级用途中也可以支持多层联合挂载。

OverlayFS在容器技术中（例如Docker和Kubernetes）被广泛使用，因为它在性能和存储利用率方面有着极高的优势，特别适用于容器镜像的快速构建、读取和写入操作。

1.2 为什么学习OverlayFS源代码

学习OverlayFS的源代码有助于深入理解Linux文件系统的核心机制，对开发者、系统工程师、内核维护者，甚至容器技术从业者都具有重要意义。具体来说：

• 深度掌握文件系统运作机制：OverlayFS是Linux内核文件系统的一个重要组成部分。通过研究其源码，可以更全面地理解VFS（虚拟文件系统）框架和文件系统的分层管理逻辑。
• 优化容器性能：OverlayFS是Docker等容器技术的默认存储驱动。研究其源代码有助于深入分析和解决容器中的性能瓶颈、磁盘IO开销等问题，并能定制和优化OverlayFS的表现。
• 提升调试和排错能力：在日常开发或生产环境中，可能会遇到涉及OverlayFS的挂载错误、性能问题或数据一致性问题。对源代码的掌握将使排错变得更加高效和精准。
• 扩展开源社区贡献：掌握源码分析能力后，可以为OverlayFS的功能开发、安全性增强或Bug修复作出贡献，推动开源生态的发展。

通过源码分析，学习者不仅可以巩固对理论知识的理解，还能将其应用于实际项目中，提升自身在文件系统、容器和Linux内核方面的综合能力。

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2. OverlayFS的基本概念

2.1 下层与上层的定义

在OverlayFS中，**下层（Lower Layer）和上层（Upper Layer）**是两个核心概念。理解它们的作用是掌握OverlayFS工作原理的基础：

• 下层（Lower Layer）：下层是只读的基础文件系统层，通常用于存储初始或静态内容。在容器环境中，这通常是一个容器镜像的基础层。OverlayFS在挂载时会从下层读取内容，但任何对下层文件的修改请求都不会直接影响下层本身。
• 上层（Upper Layer）：上层是可写的文件系统层。用户的所有写操作都会发生在上层中。新文件或对已有文件的更改会直接反映在上层中，从而实现写时复制（Copy-on-Write）行为。即便下层有相同的文件或目录，一旦上层有更改，用户操作都只会作用于上层文件。
• 关系：在合并目录中（即最终用户访问的挂载点），上层的文件会“覆盖”下层的相同文件。这样一来，用户看到的文件视图是上层和下层的合并结果，其中优先显示上层的文件和更改。

2.2 工作目录和合并目录

• 工作目录（Work Directory）：工作目录是OverlayFS在运行时所用的临时存储空间。它用于支持写时复制等操作，并在上层和下层之间进行中间状态的管理。工作目录通常会保存一些元数据和过渡文件，确保上层和下层之间的操作具有一致性和事务性。

• 合并目录（Merge Directory）：合并目录是用户实际访问的挂载点，展示了上层和下层文件系统的统一视图。合并目录的内容看起来像一个普通目录，但它包含了上层与下层文件的组合视图，且用户的所有操作（读取、写入、删除等）都遵循OverlayFS的逻辑。

示例：假设下层有一个文件foo.txt，上层中没有这个文件。在合并目录中读取foo.txt时，内容来自下层。若在合并目录中修改foo.txt，系统会在上层中创建一个新的foo.txt副本并进行修改，这个过程被称为“写时复制”。

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3. 源代码操作流程与关键函数分析

在本节中，我们将详细分析OverlayFS的源代码，按照从挂载文件系统到文件操作的顺序介绍其关键函数。我们会首先聚焦挂载过程，然后深入探讨OverlayFS的核心机制和具体实现。

• 在线查看OverlayFS源代码 – Linux-6.0 内核

3.1 挂载文件系统

挂载文件系统是OverlayFS运行的起点。在挂载过程中，OverlayFS会读取挂载参数，设置下层、上层和工作目录的结构，并生成一个统一的文件系统视图。这个阶段的核心函数包括ovl_fill_super、ovl_mount和ovl_get_super等。

3.1.1 ovl_fill_super 函数

文件位置：fs/overlayfs/super.c#L1968

作用：ovl_fill_super 是OverlayFS挂载过程的核心函数之一，负责初始化超级块（super_block）结构。超级块是描述文件系统的核心数据结构之一，通过它可以获取文件系统的状态和参数。ovl_fill_super函数在挂载时会创建和初始化根目录以及上下层的合并视图。

关键逻辑：

• 解析挂载选项（如lowerdir、upperdir和workdir）。
• 初始化和验证上下层目录。
• 设置超级块的操作函数和文件系统特性。
• 创建根目录节点（root dentry）并关联到超级块。

函数简析：

static int ovl_fill_super(struct super_block *sb, struct fs_context *fc)
{
   
    struct ovl_fs *ofs;
    int err;

    // 为文件系统分配内存并初始化
    ofs = kzalloc(sizeof(struct ovl_fs), GFP_KERNEL);
    if (!ofs)
        return -ENOMEM;

    // 获取并解析上下层结构
    err = ovl_get_layers(sb, fc, ofs);
    if (err)
        goto out_free;

    // 初始化超级块相关属性
    sb->s_maxbytes = MAX_LFS_FILESIZE;
    sb->s_op = &ovl_super_operations;
    sb->s_root = d_make_root(ovl_new_inode(sb));
    if (!sb->s_root) {
   
        err = -ENOMEM;
        goto out_cleanup;
    }

    // 其他初始化操作
    return 0;

out_cleanup:
    // 错误清理部分
out_free:
    kfree(ofs);
    return err;
}

具体解析：

1. 分配和初始化ovl_fs结构体，用于存储文件系统特定的信息。
2. 通过ovl_get_layers函数获取并设置上下层的目录。
3. 设置超级块的操作函数表sb->s_op，这决定了文件系统如何处理各种操作。
4. 使用d_make_root函数创建根目录的dentry，这是挂载点的根节点。

3.1.2 ovl_mount 函数

文件位置：fs/overlayfs/super.c

作用：ovl_mount是处理挂载请求的入口函数，接收挂载参数并调用ovl_fill_super来完成具体的挂载过程。它将输入的挂载信息转换为适合文件系统使用的格式，并调用内核的文件系统接口来实现挂载操作。

简要示例：

static struct dentry *ovl_mount(struct file_system_type *fs_type, int flags,
                                const char *dev_name, void *data)
{
   
    return mount_nodev(fs_type, flags, data, ovl_fill_super);
}

解析：ovl_mount利用mount_nodev辅助函数来简化挂载操作，他会调用ovl_fill_super初始化文件系统的核心数据结构。

3.1.3 ovl_get_inode 函数

文件位置：fs/overlayfs/inode.c#L1182

作用：ovl_get_inode 是获取或创建 inode 的关键函数之一。它的作用是为给定的文件或目录返回一个 inode 结构体。inode 是 Linux VFS 的核心概念，表示一个文件或目录在内核中的抽象结构。对于 OverlayFS 来说，ovl_get_inode 需要处理合并视图，确保上层和下层目录项的一致性，并正确地在 VFS 中反映出合并文件系统的状态。

关键逻辑：

• 检查上层和下层是否已存在关联的 inode。
• 如果有上层 inode，使用上层信息，否则尝试获取下层 inode。
• 创建一个新的 inode，并设置其 i_op 和 f_op 操作指针，确保 inode 能够支持 OverlayFS 所需的操作。
• 设置 inode 的属性和标志，以匹配上层或下层的实际状态，包括文件的权限、类型和其他元数据。

示例代码简析：

struct inode *ovl_get_inode(struct super_block *sb, struct dentry *upperdentry,
                            struct dentry *lowerdentry, bool is_dir)
{
   
    struct inode *inode;

    // 检查是否有上层 inode
    if (upperdentry) {
   
        inode = igrab(upperdentry->d_inode);
        if (inode)
            return inode;
    }

    // 如果没有上层 inode，则检查是否存在下层 inode
    if (lowerdentry)