OverlayFS 简介

OverlayFS (Overlay Filesystem) 是一种联合文件系统（Union Filesystem），它允许用户将一个文件系统（通常是可写的）“覆盖”在另一个文件系统（通常是只读的）之上。对于用户来说，这两个文件系统看起来像是一个合并后的单一目录树。

OverlayFS 在 Linux 内核 3.18 中被合并进主线，因其设计简洁、性能高效而被广泛应用于容器技术（如 Docker）和嵌入式系统（如 OpenWrt）。

核心概念

OverlayFS 主要涉及四个目录层级：

• Lower Dir (底层目录): 通常是只读的。 在 OpenWrt 中，这通常对应于压缩的只读固件部分（SquashFS）。 可以有多个 Lower 层。

• Upper Dir (上层目录): 是可写的。 所有对文件系统的修改（新建、修改、删除）都会记录在这里。 在 OpenWrt 中，这通常对应于 JFFS2 或 UBIFS 分区。

• Work Dir (工作目录): 一个对用户不可见的空目录，OverlayFS 使用它来准备文件操作（如原子性保证）。 必须与 Upper Dir 在同一个文件系统下。

• Merged Dir (合并目录): 这是用户最终看到的挂载点。 它展示了 Lower 和 Upper 合并后的视图。

工作原理

• 读取 (Read): 如果文件在 Upper 层存在，直接读取 Upper 层的文件。 如果文件仅在 Lower 层存在，读取 Lower 层的文件。 如果两层都有，Upper 层的文件会“遮盖”住 Lower 层的文件。

• 写入 (Write):

  • 修改文件: 当尝试修改一个位于 Lower 层的文件时，OverlayFS 会触发 Copy-Up 操作，将文件从 Lower 层复制到 Upper 层，然后对 Upper 层的文件进行修改。
  • 新建文件: 直接在 Upper 层创建。

• 删除 (Delete): 如果删除的是 Upper 层的文件，直接删除。 如果删除的是 Lower 层的文件，OverlayFS 会在 Upper 层创建一个特殊的 Whiteout 文件（通常是字符设备 0/0），用于标记该文件已被“遮盖”（即删除），从而在 Merged 视图中不可见。

OpenWrt 中的 OverlayFS 应用

OpenWrt 是 OverlayFS 最经典的落地场景之一。它利用 OverlayFS 完美解决了嵌入式设备存储空间有限且需要系统恢复能力的矛盾。

OpenWrt 的文件系统架构

OpenWrt 的固件通常包含两个主要部分：

• /rom (Read-Only): 这是一个 SquashFS 文件系统，包含了系统启动所需的所有基础文件、内核模块和默认配置。 它是高度压缩的，且在运行时是只读的。这保证了系统核心文件的安全性，无论用户如何误操作，都可以恢复出厂设置。

• /overlay (Read-Write): 这是一个 JFFS2 (对于 NOR Flash) 或 UBIFS (对于 NAND Flash) 文件系统，或者是 ext4 (对于 SD 卡/硬盘)。 它用于存储用户的配置更改、安装的软件包等。

挂载机制

当 OpenWrt 启动时，它会执行以下逻辑（简化版）：

• 挂载 SquashFS 分区到 /rom。
• 挂载可写分区（如 JFFS2）到 /overlay。
• 使用 OverlayFS 将 /overlay（Upper）覆盖在 /rom（Lower）之上，并将结果挂载到根目录 /。

挂载命令示例:

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

(注：OpenWrt 的实际挂载过程由 mount_root 和 preinit 脚本处理，细节可能因版本而异，早期版本使用 mini_fo，现代版本均使用 overlayfs)*

实际操作与管理

查看挂载状态

在 OpenWrt 终端中输入 df -h 或 mount 可以看到 OverlayFS 的结构：

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root@OpenWrt:~# df -h
Filesystem                Size      Used Available Use% Mounted on
/dev/root                 2.5M      2.5M         0 100% /rom
tmpfs                    61.8M    168.0K     61.6M   0% /tmp
/dev/mtdblock3            5.0M    424.0K      4.6M   8% /overlay
overlayfs:/overlay        5.0M    424.0K      4.6M   8% /

可以看到 / 的类型是 overlayfs:/overlay，它的大小等于 /overlay 分区的大小。

恢复出厂设置 (Firstboot)

由于 OverlayFS 的特性，恢复出厂设置变得非常简单：只需要清空 /overlay 分区即可。

当 /overlay 被清空后，Upper 层没有了任何文件，系统重启后，OverlayFS 呈现的完全是 Lower 层（即 /rom）的内容，系统就回到了初始状态。

命令：

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firstboot -y
reboot

扩容 (Extroot)

OpenWrt 设备的内置 Flash 通常很小（如 16MB）。利用 OverlayFS，我们可以轻松实现扩容（Extroot）：

• 插入一个 USB U盘。
• 将 U盘格式化为 ext4。
• 将 U盘挂载为 /overlay。
• 这样，系统的可用空间就变成了 U盘的大小，可以安装大量的软件包。

常见问题

空间不足: 如果 /overlay 满了，系统可能无法保存配置或安装软件。此时删除文件实际上是在 Upper 层操作。 文件被遮挡: 如果你在 /rom 中修改了源码重新编译固件，但刷机后发现文件没变，可能是因为 /overlay 中存在旧的修改版本遮挡了新的 /rom 文件。刷机时通常建议选择“不保留配置”来清空 /overlay。

总结

OverlayFS 是 OpenWrt 灵活性的基石。它通过分层机制，既保证了系统底层的稳定性（只读的 /rom），又提供了用户所需的灵活性（可写的 /overlay），并且实现了极低成本的“恢复出厂设置”功能。理解 OverlayFS 对于深入玩转 OpenWrt（如定制固件、扩容、调试）至关重要。