Documentation/filesystems/overlayfs.txt

   1 Written by: Neil Brown
   2 Please see MAINTAINERS file for where to send questions.
   3
   4 Overlay Filesystem
   5 ==================
   6
   7 This document describes a prototype for a new approach to providing
   8 overlay-filesystem functionality in Linux (sometimes referred to as
   9 union-filesystems).  An overlay-filesystem tries to present a
  10 filesystem which is the result over overlaying one filesystem on top
  11 of the other.
  12
  13 The result will inevitably fail to look exactly like a normal
  14 filesystem for various technical reasons.  The expectation is that
  15 many use cases will be able to ignore these differences.
  16
  17 This approach is 'hybrid' because the objects that appear in the
  18 filesystem do not all appear to belong to that filesystem.  In many
  19 cases an object accessed in the union will be indistinguishable
  20 from accessing the corresponding object from the original filesystem.
  21 This is most obvious from the 'st_dev' field returned by stat(2).
  22
  23 While directories will report an st_dev from the overlay-filesystem,
  24 non-directory objects may report an st_dev from the lower filesystem or
  25 upper filesystem that is providing the object.  Similarly st_ino will
  26 only be unique when combined with st_dev, and both of these can change
  27 over the lifetime of a non-directory object.  Many applications and
  28 tools ignore these values and will not be affected.
  29
  30 In the special case of all overlay layers on the same underlying
  31 filesystem, all objects will report an st_dev from the overlay
  32 filesystem and st_ino from the underlying filesystem.  This will
  33 make the overlay mount more compliant with filesystem scanners and
  34 overlay objects will be distinguishable from the corresponding
  35 objects in the original filesystem.
  36
  37 Upper and Lower
  38 ---------------
  39
  40 An overlay filesystem combines two filesystems - an 'upper' filesystem
  41 and a 'lower' filesystem.  When a name exists in both filesystems, the
  42 object in the 'upper' filesystem is visible while the object in the
  43 'lower' filesystem is either hidden or, in the case of directories,
  44 merged with the 'upper' object.
  45
  46 It would be more correct to refer to an upper and lower 'directory
  47 tree' rather than 'filesystem' as it is quite possible for both
  48 directory trees to be in the same filesystem and there is no
  49 requirement that the root of a filesystem be given for either upper or
  50 lower.
  51
  52 The lower filesystem can be any filesystem supported by Linux and does
  53 not need to be writable.  The lower filesystem can even be another
  54 overlayfs.  The upper filesystem will normally be writable and if it
  55 is it must support the creation of trusted.* extended attributes, and
  56 must provide valid d_type in readdir responses, so NFS is not suitable.
  57
  58 A read-only overlay of two read-only filesystems may use any
  59 filesystem type.
  60
  61 Directories
  62 -----------
  63
  64 Overlaying mainly involves directories.  If a given name appears in both
  65 upper and lower filesystems and refers to a non-directory in either,
  66 then the lower object is hidden - the name refers only to the upper
  67 object.
  68
  69 Where both upper and lower objects are directories, a merged directory
  70 is formed.
  71
  72 At mount time, the two directories given as mount options "lowerdir" and
  73 "upperdir" are combined into a merged directory:
  74
  75   mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower,upperdir=/upper,\
  76   workdir=/work /merged
  77
  78 The "workdir" needs to be an empty directory on the same filesystem
  79 as upperdir.
  80
  81 Then whenever a lookup is requested in such a merged directory, the
  82 lookup is performed in each actual directory and the combined result
  83 is cached in the dentry belonging to the overlay filesystem.  If both
  84 actual lookups find directories, both are stored and a merged
  85 directory is created, otherwise only one is stored: the upper if it
  86 exists, else the lower.
  87
  88 Only the lists of names from directories are merged.  Other content
  89 such as metadata and extended attributes are reported for the upper
  90 directory only.  These attributes of the lower directory are hidden.
  91
  92 whiteouts and opaque directories
  93 --------------------------------
  94
  95 In order to support rm and rmdir without changing the lower
  96 filesystem, an overlay filesystem needs to record in the upper filesystem
  97 that files have been removed.  This is done using whiteouts and opaque
  98 directories (non-directories are always opaque).
  99
 100 A whiteout is created as a character device with 0/0 device number.
 101 When a whiteout is found in the upper level of a merged directory, any
 102 matching name in the lower level is ignored, and the whiteout itself
 103 is also hidden.
 104
 105 A directory is made opaque by setting the xattr "trusted.overlay.opaque"
 106 to "y".  Where the upper filesystem contains an opaque directory, any
 107 directory in the lower filesystem with the same name is ignored.
 108
 109 readdir
 110 -------
 111
 112 When a 'readdir' request is made on a merged directory, the upper and
 113 lower directories are each read and the name lists merged in the
 114 obvious way (upper is read first, then lower - entries that already
 115 exist are not re-added).  This merged name list is cached in the
 116 'struct file' and so remains as long as the file is kept open.  If the
 117 directory is opened and read by two processes at the same time, they
 118 will each have separate caches.  A seekdir to the start of the
 119 directory (offset 0) followed by a readdir will cause the cache to be
 120 discarded and rebuilt.
 121
 122 This means that changes to the merged directory do not appear while a
 123 directory is being read.  This is unlikely to be noticed by many
 124 programs.
 125
 126 seek offsets are assigned sequentially when the directories are read.
 127 Thus if
 128
 129   - read part of a directory
 130   - remember an offset, and close the directory
 131   - re-open the directory some time later
 132   - seek to the remembered offset
 133
 134 there may be little correlation between the old and new locations in
 135 the list of filenames, particularly if anything has changed in the
 136 directory.
 137
 138 Readdir on directories that are not merged is simply handled by the
 139 underlying directory (upper or lower).
 140
 141 renaming directories
 142 --------------------
 143
 144 When renaming a directory that is on the lower layer or merged (i.e. the
 145 directory was not created on the upper layer to start with) overlayfs can
 146 handle it in two different ways:
 147
 148 1. return EXDEV error: this error is returned by rename(2) when trying to
 149    move a file or directory across filesystem boundaries.  Hence
 150    applications are usually prepared to hande this error (mv(1) for example
 151    recursively copies the directory tree).  This is the default behavior.
 152
 153 2. If the "redirect_dir" feature is enabled, then the directory will be
 154    copied up (but not the contents).  Then the "trusted.overlay.redirect"
 155    extended attribute is set to the path of the original location from the
 156    root of the overlay.  Finally the directory is moved to the new
 157    location.
 158
 159 Non-directories
 160 ---------------
 161
 162 Objects that are not directories (files, symlinks, device-special
 163 files etc.) are presented either from the upper or lower filesystem as
 164 appropriate.  When a file in the lower filesystem is accessed in a way
 165 the requires write-access, such as opening for write access, changing
 166 some metadata etc., the file is first copied from the lower filesystem
 167 to the upper filesystem (copy_up).  Note that creating a hard-link
 168 also requires copy_up, though of course creation of a symlink does
 169 not.
 170
 171 The copy_up may turn out to be unnecessary, for example if the file is
 172 opened for read-write but the data is not modified.
 173
 174 The copy_up process first makes sure that the containing directory
 175 exists in the upper filesystem - creating it and any parents as
 176 necessary.  It then creates the object with the same metadata (owner,
 177 mode, mtime, symlink-target etc.) and then if the object is a file, the
 178 data is copied from the lower to the upper filesystem.  Finally any
 179 extended attributes are copied up.
 180
 181 Once the copy_up is complete, the overlay filesystem simply
 182 provides direct access to the newly created file in the upper
 183 filesystem - future operations on the file are barely noticed by the
 184 overlay filesystem (though an operation on the name of the file such as
 185 rename or unlink will of course be noticed and handled).
 186
 187
 188 Multiple lower layers
 189 ---------------------
 190
 191 Multiple lower layers can now be given using the the colon (":") as a
 192 separator character between the directory names.  For example:
 193
 194   mount -t overlay overlay -olowerdir=/lower1:/lower2:/lower3 /merged
 195
 196 As the example shows, "upperdir=" and "workdir=" may be omitted.  In
 197 that case the overlay will be read-only.
 198
 199 The specified lower directories will be stacked beginning from the
 200 rightmost one and going left.  In the above example lower1 will be the
 201 top, lower2 the middle and lower3 the bottom layer.
 202
 203
 204 Sharing and copying layers
 205 --------------------------
 206
 207 Lower layers may be shared among several overlay mounts and that is indeed
 208 a very common practice.  An overlay mount may use the same lower layer
 209 path as another overlay mount and it may use a lower layer path that is
 210 beneath or above the path of another overlay lower layer path.
 211
 212 Using an upper layer path and/or a workdir path that are already used by
 213 another overlay mount is not allowed and may fail with EBUSY.  Using
 214 partially overlapping paths is not allowed but will not fail with EBUSY.
 215 If files are accessed from two overlayfs mounts which share or overlap the
 216 upper layer and/or workdir path the behavior of the overlay is undefined,
 217 though it will not result in a crash or deadlock.
 218
 219 Mounting an overlay using an upper layer path, where the upper layer path
 220 was previously used by another mounted overlay in combination with a
 221 different lower layer path, is allowed, unless the "inodes index" feature
 222 is enabled.
 223
 224 With the "inodes index" feature, on the first time mount, an NFS file
 225 handle of the lower layer root directory, along with the UUID of the lower
 226 filesystem, are encoded and stored in the "trusted.overlay.origin" extended
 227 attribute on the upper layer root directory.  On subsequent mount attempts,
 228 the lower root directory file handle and lower filesystem UUID are compared
 229 to the stored origin in upper root directory.  On failure to verify the
 230 lower root origin, mount will fail with ESTALE.  An overlayfs mount with
 231 "inodes index" enabled will fail with EOPNOTSUPP if the lower filesystem
 232 does not support NFS export, lower filesystem does not have a valid UUID or
 233 if the upper filesystem does not support extended attributes.
 234
 235 It is quite a common practice to copy overlay layers to a different
 236 directory tree on the same or different underlying filesystem, and even
 237 to a different machine.  With the "inodes index" feature, trying to mount
 238 the copied layers will fail the verification of the lower root file handle.
 239
 240
 241 Non-standard behavior
 242 ---------------------
 243
 244 The copy_up operation essentially creates a new, identical file and
 245 moves it over to the old name.  The new file may be on a different
 246 filesystem, so both st_dev and st_ino of the file may change.
 247
 248 Any open files referring to this inode will access the old data.
 249
 250 If a file with multiple hard links is copied up, then this will
 251 "break" the link.  Changes will not be propagated to other names
 252 referring to the same inode.
 253
 254 Unless "redirect_dir" feature is enabled, rename(2) on a lower or merged
 255 directory will fail with EXDEV.
 256
 257 Changes to underlying filesystems
 258 ---------------------------------
 259
 260 Offline changes, when the overlay is not mounted, are allowed to either
 261 the upper or the lower trees.
 262
 263 Changes to the underlying filesystems while part of a mounted overlay
 264 filesystem are not allowed.  If the underlying filesystem is changed,
 265 the behavior of the overlay is undefined, though it will not result in
 266 a crash or deadlock.
 267
 268 Testsuite
 269 ---------
 270
 271 There's testsuite developed by David Howells at:
 272
 273   git://git.infradead.org/users/dhowells/unionmount-testsuite.git
 274
 275 Run as root:
 276
 277   # cd unionmount-testsuite
 278   # ./run --ov