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如何使用 JavaScript 模拟 Docker 中的 UnionFS 技术：从容器到文件系统的映射

news 来源：原创 2025/5/9 9:45:44

如何使用 JavaScript 模拟 Docker 中的 UnionFS 技术：从容器到文件系统的映射

导言

我们都知道，操作系统分为内核和 用户空间。对于 Linux 而言，内核启动后，会挂载 root 文件系统为其提供用户空间支持。而 Docker 镜像（Image），就相当于是一个 root 文件系统。比如官方镜像 ubuntu:18.04 就包含了完整的一套 Ubuntu 18.04 最小系统的 root 文件系统。因为镜像包含操作系统完整的 root 文件系统，其体积往往是庞大的，因此在 Docker 设计时，就充分利用 Union FS 的技术，将其设计为分层存储的架构。容器通过虚拟文件系统对文件进行层叠，利用技术如 UnionFS（联合文件系统）来创建容器文件系统。UnionFS 允许多个文件系统层叠在一起，形成一个合成的文件系统，并允许容器的可写层覆盖镜像层。

目标 (学习理解 Docker UnionFS 技术的实现原理)

本文将通过一个简单的 JavaScript 模拟来展示 UnionFS 的核心概念，包括层叠的镜像层、容器的可写层，以及如何合成一个容器的文件系统。

什么是 UnionFS？

UnionFS 是一种能够将多个文件系统层叠的文件系统技术。在容器化环境中，UnionFS 主要用于合并多个文件系统层，以便容器可以共享相同的基础镜像，并在此基础上进行文件修改。这种技术通过以下几个核心概念工作：

只读镜像层（Read-only layers）：这些层是基础镜像，多个容器可以共享这些层。
可写层（Writable layer）：这是每个容器的独立层，所有对文件系统的修改都会记录在这个层级。

UnionFS 的主要特点是“写时复制”（Copy-on-Write，COW）。即，容器对文件的修改不会直接影响底层镜像层，而是通过写入可写层来实现。

模拟 UnionFS 的 JavaScript 实现

下面的代码展示了如何在 JavaScript 中模拟 UnionFS 的核心概念：

1. 设计文件系统的结构

我们首先创建一个 UnionFS 类，用来管理镜像层和容器的可写层。然后，我们设计一个 Container 类，模拟容器在文件系统上的操作。

class UnionFS {
    constructor(baseLayers = []) {
        // 初始镜像层（只读）
        this.baseLayers = baseLayers;
        // 可写层（每个容器会有自己的可写层）
        this.writableLayer = {};
    }

    // 模拟添加一个新的镜像层
    addBaseLayer(layer) {
        this.baseLayers.push(layer);
    }

    // 模拟容器的创建，容器有自己的可写层
    createContainer() {
        const container = new Container(this.baseLayers, this.writableLayer);
        return container;
    }
}

class Container {
    constructor(baseLayers, writableLayer) {
        // 合成的文件系统由镜像层和可写层组成
        this.baseLayers = baseLayers;
        this.writableLayer = writableLayer;
    }

    // 读取文件，优先从可写层读取
    readFile(filePath) {
        // 首先检查可写层是否有这个文件
        if (this.writableLayer[filePath]) {
            return this.writableLayer[filePath];
        }

        // 如果可写层没有这个文件，则从镜像层读取
        for (let i = this.baseLayers.length - 1; i >= 0; i--) {
            if (this.baseLayers[i][filePath]) {
                return this.baseLayers[i][filePath];
            }
        }

        return null; // 文件不存在
    }

    // 写入文件，写入时会修改可写层
    writeFile(filePath, content) {
        this.writableLayer[filePath] = content;
    }
}

2. 创建镜像层和容器

现在我们需要创建一些镜像层，模拟容器创建过程，并展示如何读写文件。

// 模拟镜像层
const baseLayer1 = {
    "/file1.txt": "This is the base file from layer 1",
    "/file2.txt": "Base file in layer 1",
};

const baseLayer2 = {
    "/file2.txt": "This is updated in base layer 2",
    "/file3.txt": "Base file in layer 2",
};

// 初始化 UnionFS
const unionFS = new UnionFS([baseLayer1, baseLayer2]);

// 创建容器
const container1 = unionFS.createContainer();

// 读取文件
console.log(container1.readFile("/file1.txt")); // 从 baseLayer1 读取
console.log(container1.readFile("/file2.txt")); // 从 baseLayer2 读取

// 写入文件到容器的可写层
container1.writeFile("/file4.txt", "This is a new file in container 1");

// 读取新写入的文件
console.log(container1.readFile("/file4.txt")); // 读取容器中新创建的文件

// 创建另一个容器，模拟不同容器的文件系统
const container2 = unionFS.createContainer();
console.log(container2.readFile("/file1.txt")); // 从 baseLayer1 读取
console.log(container2.readFile("/file2.txt")); // 从 baseLayer2 读取
console.log(container2.readFile("/file4.txt")); // 文件不存在，返回 null

代码解析

UnionFS 类：负责管理文件系统的镜像层和容器的可写层。每个容器都可以在镜像层上层叠自己的文件层，形成合成的文件系统。
Container 类：模拟容器的文件系统，每个容器都有自己的可写层，所有对文件的修改都会写入这个层。
文件读写模拟：容器首先会在自己的可写层查找文件，如果找不到，就会从镜像层中读取相应文件。这种方式确保了容器对文件系统的修改是隔离的，并且不会影响到基础镜像。

输出示例

运行上述代码，输出结果将如下所示：

This is the base file from layer 1
This is updated in base layer 2
This is a new file in container 1
This is the base file from layer 1
This is updated in base layer 2
null

UnionFS 的工作原理

读取文件：当容器尝试读取一个文件时，它首先检查自己的可写层。如果文件存在，则返回该文件内容；否则，它会向下查找，依次检查各个镜像层，直到找到文件或确认文件不存在。
写入文件：当容器写入文件时，它会将文件内容写入到自己的可写层。这不会影响镜像层，也意味着其他容器无法访问到该文件，除非它们也对文件进行写入。

总结

通过这个简单的 JavaScript 模拟，我们可以清楚地理解 UnionFS 的工作原理。容器通过 UnionFS 技术将多个文件系统层合成一个统一的文件系统。镜像层是共享的，而容器的可写层则保持隔离，这样每个容器就能拥有自己独立的文件修改，同时共享基础镜像文件。这种机制不仅提高了容器的效率，还大大减少了重复的存储开销。

UnionFS 在 Docker 等容器平台中的应用，正是利用了这种技术，让我们能够更加灵活高效地管理文件系统，并且提供强大的隔离和可扩展性。

通过这种模拟方式，我们也能更好地理解底层容器化技术的核心，掌握如何利用这些原理设计出更高效的容器化应用。