Linux AUFS 文件系统

AUFS 的英文全称为 Advanced Mult-Layered Unification Filesystem，曾经是 Another Mult-Layered Unification Filesystem，显然，现在的内涵规格更高些。说明：本文的演示环境为 ubuntu 16.04。

Union File System

Union File System，简称 UnionFS，是一种为 Linux、FreeBSD 和 NetBSD 操作系统设计的，把其它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 把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 branch 或者是 read-only 的，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 Union File System 用到了一个重要的资源管理技术：写时复制。

写时复制(copy-on-write，常被简写为 CoW)，也叫隐式共享，是一种提高资源使用效率的资源管理技术。它的思想是：如果一个资源是重复的，在没有对资源做出修改前，并不需要立即复制出一个新的资源实例，这个资源被不同的所有者共享使用。当任何一个所有者要对该资源做出修改时，复制出一个新的资源实例给该所有者进行修改，修改后的资源成为其所有者的私有资源。通过这种资源共享的方式，可以显著地减少复制相同资源带来的消耗，但是这样做也会在进行资源的修改时增加一部分开销。

创建 AUFS

我们可以通过 mount 命令手动创建 AUFS，接下来我们就用这种方式来演示 AUFS 的主要特征。

创建演示用的目录和文件
先创建一个名称为 aufs 的文件夹用作实验目录：

$ mkdir aufs

然后在 aufs 中创建名称为 mnt 的目录作为文件系统的挂载点：

$ mkdir aufs/mnt

接下来在 aufs 目录下创建 container-layer 文件夹(模拟容器的读写层)，并且在文件夹中创建文件 container-layer.txt，文件的内容初始化为 "I am container layer"：

$ mkdir aufs/container-layer
$ echo "I am container layer" > aufs/container-layer/container-layer.txt

最后在 aufs 目录下创建三个文件夹 image-layer1、image-layer2、image-layer3(用它们来模拟容器的镜像层)。在这三个文件夹中分别创建文件，并初始化为对应的内容：

$ mkdir aufs/{image-layer1,image-layer2,image-layer3}
$ echo "I am image layer 1" > aufs/image-layer1/image-layer1.txt
$ echo "I am image layer 2" > aufs/image-layer2/image-layer2.txt
$ echo "I am image layer 3" > aufs/image-layer3/image-layer3.txt

准备的目录和文件结构如下图所示：

创建 AUFS 文件系统
mount 是一个非常强大的命令，我们可以用它来创建 AUFS 文件系统。下面的命令把 container-layer、image-layer1、image-layer2、image-layer3 以 AUFS 的方式挂载到刚才创建的 mnt 目录下：

$ cd aufs
$ sudo mount -t aufs -o dirs=./container-layer:./image-layer1:./image-layer2:./image-layer3 none ./mnt

挂载完成后可以看到 mnt 目录下的文件结构为：

注意，在 mount 命令中我们没有指定要挂载的 4 个文件夹的权限信息，其默认行为是：dirs 指定的左边起第一个目录是 read-write 权限，后续目录都是 read-only 权限。我们可以通过下面的方式查看详情：

其中的 si_99b90cdd124201eb 目录是系统为 mnt 这个挂载点创建的，从上图中我们可以清楚的看到各个目录的挂载权限。

验证写时复制
下面让我们向 mnt/image-layer2.txt 文件中写入些数据，看看会发生什么变化？

$ echo "I changed mnt/image-layer2.txt" >> mnt/image-layer2.txt

查看 mnt/image-layer2.txt 的内容，发现已经变化了：

I am image layer
I changed mnt/image-layer2.txt

再去看看 image-layer2/image-layer2.txt，发现它的内容没有变化，还是：

I am image layer 

原因在哪里呢？去 container-layer 目录下看看：

这里多了一个 image-layer2.txt 文件，其内容如下：

原来，当尝试向 mnt/image-layer2.txt 中写入文件时，系统首先在 mnt 目录下查找名为 image-layer2.txt 的文件，将其拷贝到 read-write 层的 container-layer 目录中，接着对 container-layer 目录中的 image-layer2.txt 的文件进行写操作。这个过程也就是 AUFS 的实际工作原理。

至此，我们完成了一个简单的 AUFS demo。可以看出 AUFS 的原理并不是很复杂，但是当与容器技术相结合后，就展示出来超强的魅力，并成为初代 docker 默认的存储驱动。虽然当前 docker 默认的存储驱动已经演进到了 overlay2，但是学习 AUFS 依然可以帮助我们深入理解 docker 中的文件系统。

参考：
维基百科 AUFS
Linux AuFS Examples
AUFS Source Code
Docker Use the AUFS storage driver
《自己动手写 docker》