Overlay在Linux内核中的角色是什么

Overlay在内核中的角色

一、核心定位

• 在Linux内核中，Overlay通常指OverlayFS（联合/堆叠文件系统）。它遵循VFS接口，把多个目录树（层）叠加为一个统一的目录视图，向用户呈现“合并后的文件系统”。OverlayFS在内核中作为具体文件系统实现，由VFS统一调度，应用在容器镜像分层、嵌入式只读根文件系统的可写覆盖等场景。其关键机制包括：上下层同名覆盖、目录合并、以及写时复制（Copy‑Up）。

二、关键能力与机制

• 分层模型：支持多个lowerdir（只读层）与一个upperdir（可读写层），并提供workdir作为内部工作区；挂载后统一呈现在merged目录。各层存在优先级：上层遮蔽下层，同名目录递归合并。
• 读写分离与Copy‑Up：对来自lower的文件进行写入时，先复制到upper再修改；删除通过“whiteout”机制屏蔽底层同名条目。
• 命名空间与挂载：作为文件系统类型“overlay”提供挂载入口，典型挂载选项为“lowerdir=…,upperdir=…,workdir=…”。
• 能力与限制：自Linux 3.18起进入主线；多lower层在内核**4.0+**逐步完善；支持大量lower层（实践中可达数百层），但受底层文件系统特性与挂载选项约束。

三、典型应用场景

• 容器镜像与容器层：容器运行时将镜像各层作为lowerdir，容器可写层为upperdir，merged作为容器根。早期Docker的“overlay”驱动仅支持两层，而“overlay2”利用多lower特性，减少硬链接与inode开销，成为主流存储驱动之一。
• 嵌入式只读根文件系统：如OpenWrt将固件层（/rom）作为lowerdir，用户改动写入/overlay/upper，系统启动时叠加为可写根“/”，实现“固件不变、用户数据可写”。
• 系统更新与测试：在不改动底层只读镜像的前提下，通过叠加可写层进行补丁验证、临时变更与快速回滚。

四、与VFS和设备树Overlay的关系

• 与VFS：OverlayFS是遵循VFS抽象的具体文件系统实现。应用程序通过VFS访问OverlayFS时，VFS负责将调用分发到OverlayFS的inode/file_operations等回调，从而完成跨层的查找、读写与属性操作。
• 与设备树Overlay：内核还有另一类“Overlay”——设备树Overlay（Device Tree Overlay），用于在运行时向主设备树叠加增量硬件描述（.dtbo），通过configfs/sysfs加载并调用of_overlay_apply()合并，触发相关设备重新枚举。它与OverlayFS是不同子系统，分别服务于文件系统视图合并与硬件描述扩展。

五、快速上手示例

• 基本挂载命令（将lower1:lower2与upper合并到merged，workdir为work）：
  mount -t overlay overlay -o lowerdir=lower1:lower2,upperdir=upper,workdir=work merged
  挂载后，merged呈现合并视图；对来自lower的文件写入会触发Copy‑Up到upper；同名文件/目录遵循上层覆盖与目录合并规则。