OverlayFS
コンテナイメージのレイヤー構造を実現するOverlayFSについて学びます。
目次
OverlayFSとは
OverlayFSの概念
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OverlayFS の構造 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ユーザーから見える統合ビュー (merged) │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ /merged │ │
│ │ ├── file1.txt (from lower) │ │
│ │ ├── file2.txt (from lower, modified in upper) │ │
│ │ ├── file3.txt (new in upper) │ │
│ │ └── dir/ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ ▲ │
│ │ 重ね合わせ │
│ ┌──────┴──────┐ │
│ │ │ │
│ ▼ ▼ │
│ Upper (RW) Lower (RO) │
│ ┌───────────┐ ┌───────────┐ │
│ │ file2.txt │ │ file1.txt │ │
│ │ file3.txt │ │ file2.txt │ │
│ │ .wh.file4 │ │ file4.txt │ ← whiteout で削除扱い │
│ └───────────┘ │ dir/ │ │
│ └───────────┘ │
│ │
│ Upper: 読み書き可能（変更がここに書き込まれる） │
│ Lower: 読み取り専用（元のデータ、複数レイヤー可） │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
なぜOverlayFSが重要か
| 利点 | 説明 |
|---|---|
| 効率的なストレージ | ベースイメージを共有できる |
| 高速な起動 | イメージ全体をコピー不要 |
| レイヤーキャッシュ | 変更がないレイヤーは再利用 |
| イミュータブル | 下位レイヤーは変更されない |
レイヤーの仕組み
コンテナイメージのレイヤー
┌─────────────────────────────────────────────────────── ──────┐
│ Docker イメージのレイヤー │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ Dockerfile: │
│ FROM ubuntu:22.04 → Layer 1 (Base) │
│ RUN apt-get update → Layer 2 │
│ RUN apt-get install -y nginx → Layer 3 │
│ COPY app/ /var/www/html/ → Layer 4 │
│ │
│ イメージ構造: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Layer 4: /var/www/html/ (app files) │ │
│ ├─────────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ Layer 3: /usr/sbin/nginx, /etc/nginx/... │ │
│ ├─────────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ Layer 2: /var/lib/apt/... (updates) │ │
│ ├─────────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ Layer 1: Ubuntu base (/, /bin, /lib, ...) │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 各レイヤーは独立したtarアーカイブ │
│ 同じベースを使うイメージはLayer 1を共有 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
レイヤーの共有
┌────────────────────────────────────────────── ───────────────┐
│ レイヤーの共有と効率化 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ Image A Image B Image C │
│ ┌───────┐ ┌───────┐ ┌───────┐ │
│ │Layer 4│ │Layer 4│ │Layer 3│ │
│ │(App A)│ │(App B)│ │(App C)│ │
│ └───┬───┘ └───┬───┘ └───┬───┘ │
│ │ │ │ │
│ └───────┬───────┘ │ │
│ │ │ │
│ ┌────┴────┐ │ │
│ │ Layer 3 │ │ │
│ │ (nginx) │◄─────────────────┘ │
│ └────┬────┘ │
│ │ │
│ ┌────┴────┐ │
│ │ Layer 2 │ │
│ │(apt upd)│ │
│ └────┬────┘ │
│ │ │
│ ┌────┴────┐ │
│ │ Layer 1 │ │
│ │(ubuntu) │ ← すべてのイメージで共有 │
│ └─────────┘ │
│ │
│ ディスク使用量 = Layer1 + Layer2 + Layer3 + LayerA + B + C │
│ （共有レイヤーは1回分のみ） │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
Copy-on-Write
CoWの仕組み
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Copy-on-Write (CoW) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. 読み取り（下位レイヤーから） │
│ ┌─────────┐ │
│ │ Upper │ ← ファイルなし │
│ ├─────────┤ │
│ │ Lower │ ← file.txt を読む │
│ └─────────┘ │
│ │
│ 2. 書き込み（コピーしてから修正） │
│ ┌─────────┐ │
│ │ Upper │ ← file.txt をコピー＆修正 │
│ ├─────────┤ │
│ │ Lower │ ← 元の file.txt は変更されない │
│ └─────────┘ │
│ │
│ 3. 削除（whiteoutファイル作成） │
│ ┌─────────┐ │
│ │ Upper │ ← .wh.file.txt を作成 │
│ ├─────────┤ （削除マーカー） │
│ │ Lower │ ← file.txt は残っている │
│ └─────────┘ │
│ │
│ Merged ビューでは file.txt は見えない │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
CoWの利点と注意点
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 利点 | 下位レイヤーが変更されない（イミュータブル） |
| 利点 | 起動が高速（コピー不要） |
| 注意点 | 大きなファイルの編集はコピーが発生 |
| 注意点 | 頻繁な書き込みはUpperに蓄積 |
OverlayFSの操作
基本的なマウント
# ディレクトリ準備
mkdir -p /tmp/overlay/{lower,upper,work,merged}
# lowerに初期ファイル作成
echo "original content" > /tmp/overlay/lower/file.txt
echo "another file" > /tmp/overlay/lower/another.txt
# OverlayFSマウント
sudo mount -t overlay overlay \
-o lowerdir=/tmp/overlay/lower,upperdir=/tmp/overlay/upper,workdir=/tmp/overlay/work \
/tmp/overlay/merged
# 統合ビュー確認
ls /tmp/overlay/merged
# file.txt another.txt
cat /tmp/overlay/merged/file.txt
# original content
書き込み操作
# ファイル修正（CoW発生）
echo "modified content" > /tmp/overlay/merged/file.txt
# upperにコピーされている
ls /tmp/overlay/upper
# file.txt
cat /tmp/overlay/upper/file.txt
# modified content
# lowerは変更されていない
cat /tmp/overlay/lower/file.txt
# original content
# 新規ファイル作成
echo "new file" > /tmp/overlay/merged/new.txt
# upperに作成される
ls /tmp/overlay/upper
# file.txt new.txt
削除操作（whiteout）
# ファイル削除
rm /tmp/overlay/merged/another.txt
# upperにwhiteoutファイル
ls -la /tmp/overlay/upper
# c--------- .wh.another.txt
# mergedでは見えない
ls /tmp/overlay/merged
# file.txt new.txt
# lowerには残っている
ls /tmp/overlay/lower
# another.txt file.txt
複数レイヤー
# 複数のlowerレイヤー
mkdir -p /tmp/overlay/{lower1,lower2,lower3}
echo "base" > /tmp/overlay/lower1/file.txt
echo "override" > /tmp/overlay/lower2/file.txt
touch /tmp/overlay/lower3/new.txt
# マウント（右が下位）
sudo mount -t overlay overlay \
-o lowerdir=/tmp/overlay/lower3:/tmp/overlay/lower2:/tmp/overlay/lower1,upperdir=/tmp/overlay/upper,workdir=/tmp/overlay/work \
/tmp/overlay/merged
# lower2のfileが見える（上位が優先）
cat /tmp/overlay/merged/file.txt
# override
クリーンアップ
# アンマウント
sudo umount /tmp/overlay/merged
# ディレクトリ削除
rm -rf /tmp/overlay
Dockerとレイヤー
イメージレイヤーの確認
# イメージのレイヤー情報
docker history nginx
# 出力例
# IMAGE CREATED CREATED BY SIZE
# 605c77e624dd 2 weeks ago CMD ["nginx" "-g" "daemon off;"] 0B
# <missing> 2 weeks ago STOPSIGNAL SIGQUIT 0B
# <missing> 2 weeks ago EXPOSE 80 0B
# <missing> 2 weeks ago ENTRYPOINT ["/docker-entrypoint.sh"] 0B
# <missing> 2 weeks ago COPY 30-tune-worker-processes.sh /docker-ent… 4.62kB
# <missing> 2 weeks ago COPY 20-envsubst-on-templates.sh /docker-ent… 3.02kB
# <missing> 2 weeks ago COPY 15-local-resolvers.envsh /docker-entryp… 298B
# <missing> 2 weeks ago COPY 10-listen-on-ipv6-by-default.sh /docker… 2.12kB
# ...
# 詳細情報
docker inspect nginx | jq '.[0].RootFS'
コンテナレイヤー
# コンテナ起動
docker run -d --name test nginx
# コンテナのマウント情報
docker inspect test | jq '.[0].GraphDriver'
# 出力例（overlay2）
# {
# "Data": {
# "LowerDir": "/var/lib/docker/overlay2/xxx/diff:/var/lib/docker/overlay2/yyy/diff:...",
# "MergedDir": "/var/lib/docker/overlay2/zzz/merged",
# "UpperDir": "/var/lib/docker/overlay2/zzz/diff",
# "WorkDir": "/var/lib/docker/overlay2/zzz/work"
# },
# "Name": "overlay2"
# }
# コンテナ内でファイル変更
docker exec test touch /tmp/newfile
docker exec test rm /etc/nginx/nginx.conf
# UpperDirに変更が記録される
sudo ls /var/lib/docker/overlay2/zzz/diff/tmp
# newfile
sudo ls -la /var/lib/docker/overlay2/zzz/diff/etc/nginx/
# c--------- .wh.nginx.conf ← whiteout
# クリーンアップ
docker rm -f test
レイヤーのディスク使用量
# イメージのサイズ
docker images
# 詳細なディスク使用量
docker system df
docker system df -v
# レイヤーの場所
sudo du -sh /var/lib/docker/overlay2/*
ストレージドライバ
主なストレージドライバ
| ドライバ | 説明 | 推奨環境 |
|---|---|---|
| overlay2 | OverlayFS使用、推奨 | Linux 4.0+ |
| devicemapper | ブロックレベル | RHEL/CentOS（古い） |
| btrfs | Btrfsスナップショット | Btrfsファイルシステム |
| zfs | ZFSクローン | ZFSファイルシステム |
| vfs | コピー（非効率） | テスト用 |
ストレージドライバの確認
# 現在のストレージドライバ
docker info | grep "Storage Driver"
# Storage Driver: overlay2
# Docker設定で指定
cat /etc/docker/daemon.json
# {
# "storage-driver": "overlay2"
# }
パフォーマンス最適化
# レイヤー数を減らす（マルチステージビルド）
# 悪い例
FROM ubuntu
RUN apt-get update
RUN apt-get install -y nginx
RUN apt-get clean
# 良い例
FROM ubuntu
RUN apt-get update && \
apt-get install -y nginx && \
apt-get clean && \
rm -rf /var/lib/apt/lists/*
# ボリュームを使用（頻繁な書き込み）
docker run -v /data:/app/data myapp
# tmpfsを使用（一時ファイル）
docker run --tmpfs /tmp myapp
まとめ
OverlayFSの構成要素
| 要素 | 説明 |
|---|---|
| Lower | 読み取り専用レイヤー（複数可） |
| Upper | 読み書き可能レイヤー |
| Work | 作業用ディレクトリ |
| Merged | 統合ビュー |
重要なポイント
- コンテナイメージはレイヤーの積み重ね
- 書き込みはCopy-on-Writeで処理
- 削除はwhiteoutファイルで表現
- 同じベースイメージはレイヤーを共有
- 頻繁な書き込みにはボリュームを使用
次のステップ
- Namespaces - プロセスの分離
- Cgroups - リソース制限
- Docker基礎 - コンテナの基本