OverlayFS在嵌入式系统中的应用

文章目录

环境介绍
硬件：T113平台
软件：Tina5.0 SDK（使用的buildroot系统）

抛出问题

OverlayFS到底是个什么东西？是有一个软件叫OverlayFS？还是OverlayFs一种框架？如果是一个框架，它又应用在哪？怎么应用？不用不行吗？又或者它到底是个什么？

基本概念

OverlayFS 是一个面向Linux的文件系统服务，而不是一个独立的软件或应用程序。Overlayfs是一种堆叠文件系统，它依赖并建立在其它的文件系统之上（例如ext4fs和xfs等等），并不直接参与磁盘空间结构的划分，仅仅将原来底层文件系统中不同的目录进行“合并”，然后向用户呈现。

使用场景

关于OverlayFS的详细介绍后面再说。先了解一下到底为什么要使用OverlayFS。有需求才会有方案，因为这篇文章是关于OverlayFS在嵌入式系统中的应用，所以例举一下，在什么样的需求下，会使用OverlayFS：

  • 1、在板子上对大量文件做了大量修改，此时想快速回到最原始的状态；
  • 2、…

OverlayFS的详细介绍

框架

OverlayFS主要有两层目录，分别是下层目录（Lower）和上层目录（Upper）。下层目录只读，上层目录可读可写。

目录合并

若上层（Upper）与下层（Lower）出现了相同的文件，则下层的文件会被上层的文件覆盖。
image.png

修改文件

若此时要修改下图的c文件。由于下层（Lower）是不可写的，因此采用了CoW技术，在对c文件进行修改时，会复制了一份数据到上层（Upper），即实际修改的是上层（Upper）里的c文件。
image.png

删除文件

若删除了下图的c文件，实际是在上层（Upper）创建了一个同名的c标识的文件，这个文件叫whiteout文件。当扫描到此文件时，会忽略此文件名。因此不会真正的删除下层（Lower）的c文件。
image.png

添加文件

添加文件实际就是在上层（Upper）添加的。
image.png

小结

以上图片来源和关于OverlayFS更详细的介绍可以参考这篇文章。

OverlayFS在嵌入式系统中的应用

内核配置

内核开启OverlayFS（ File systems -> Overlay filesystem support ）。
image.png

OverlayFS简单应用

例如现在要对根目录下的usr目录应用上OverlayFS。

  • 先在根目录下创建一个overlay文件夹；
  • 在overlay文件夹下创建一个merge、upper、work文件夹；
  • 分别在merge、upper、work文件夹下创建一个usr文件夹；

此时的目录结构应该如下：

/
    ...
    bin
    usr
    overlay
        merge
            usr
        upper
            usr
        work
            usr
    ...

挂载命令：

mount -t overlay overlay -o lowerdir=/usr,upperdir=/overlay/upper/usr,workdir=/overlay/work/usr /overlay/merge/usr
  • mount -t overlay：使用 mount 命令来挂载一个文件系统，-t overlay 指定文件系统类型为 overlay；
  • overlay：这是 overlay 文件系统本身的名称（或称为“伪设备”）。
  • lowerdir=/usr：指定/usr目录为下层目录（Lower），只读，包含原始的文件和数据；
  • upperdir=/overlay/upper/usr：指定/overlay/upper/usr目录为上层目录（Upper），所有对叠加文件系统的写操作都会发生在这个目录中。这些更改是私有的，并且不会影响到下层目录；
  • workdir=/overlay/work/usr：指定/overlay/work/usr目录为工作目录，overlay 文件系统需要它来管理元数据和临时文件；
  • /overlay/merge/usr：这是叠加文件系统的挂载点。一旦挂载成功，该目录就会显示下层目录和上层目录的合并内容，并且任何对 /overlay/merge/usr 的写操作都会发生在上层目录中；

查看挂载点会发现，下层目录和上层目录的合并内容出现了：
image.png

OverlayFS应用新思路

虽然上面已经体验了OverlayFS的挂载。但使用时还得进到overlay/merge/usr目录，这不太方便。能不能直接将/usr挂载到/usr呢？【该方法是从一个同事学来的】

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

挂载成功后，在/usr目录下创建new文件夹，查看/overlay/upper/usr，确实多了一个new文件夹：
image.png
基于这种思路编写一个启动脚本，上电后自动挂载所需的目录。即上电后，会自动将/usr挂载到/usr、将/lib挂载到/lib等。可以将该脚本放到/etc/init.d/下。

echo "setting OverlayFS..."

# 检索要挂载的目录
for dir in $(ls / | grep -vE 'proc|sys|dev|udisk|tmp|lost|sddisk|var|home|overlay|root|mnt'); do

  if [ -d /$dir ];then

    workdir=/overlay/work/$dir
    # upper层路径
    updir=/overlay/upper/$dir

    if [ ! -d ${updir} ];then
      mkdir -p ${updir}
      echo "mkdir updir ${updir} now"
    fi

    if [ ! -d ${workdir} ];then
      mkdir -p ${workdir}
      echo "mkdir work ${workdir} now"
    fi

    # 自己挂载自己
    mount -t overlay overlay -o lowerdir=/${dir},upperdir=${updir},workdir=${workdir} /${dir}

  fi

done
echo "OverlayFS has been mounted successfully!"

这是执行脚本后的挂载情况：
image.png
这样挂载后，被挂载的目录都在下层（Lower）。操作就像平时一样操作，但实际并不会修改下层文件。如果想要恢复到原始的样子，把所有/overlay/upper/xxx/下的文件清除即可。
下面是一个恢复出厂设置的脚本，主要工作就是上面所讲的，删除所有/overlay/upper目录下所有文件夹里的内容：

#!/bin/bash

echo "restore factory setting ... "

# 定义目录变量
TARGET_DIR="/overlay/upper"

# 进入目标目录
cd ${TARGET_DIR} || { echo "无法进入目录 $TARGET_DIR"; exit 1; }

# 删除/overlay/upper目录下所有文件夹的所有内容，但不删除文件夹本身
find ${TARGET_DIR} -mindepth 1 -type d -print0 | while IFS= read -r -d '' dir; do 
    echo "remove ${dir}"
    rm -rf ${dir}/*  
done

cd /
echo "restore factory setting successfully!"

总结

1、对于为什么要在嵌入式系统中应用OverlayFS，还找不出太多原因。
2、对于如何正确地在嵌入式系统中使用OverlayFS，还有待继续验证。

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