UnionFS的写时复制（CoW）机制通过文件级复制实现分层共享：修改只读层文件时，先复制到可写层再操作，未修改文件零开销指向原层；overlay2以lowerdir、upperdir和merged三目录实现该机制，删除用.whiteout标记而非物理移除。

UnionFS 的写时复制（Copy-on-Write，CoW）机制是容器镜像分层存储的核心基础。它让多个容器能共享只读的底层镜像层，仅在需要修改文件时才复制一份私有副本，既节省空间又提升启动速度。

写时复制如何工作

UnionFS 将多个目录（称为“层”）叠加成一个统一视图。所有底层镜像层默认只读，最上层为可写层（如容器运行时的 upperdir）。当容器尝试修改一个只读层中的文件时，CoW 不会直接改原文件，而是：

• 先将该文件从底层只读层完整复制到可写层
• 再在可写层中对副本进行修改、删除或新建
• 后续读取该路径时，始终优先看到可写层中的内容（覆盖效应）

注意：复制粒度是“文件”，不是块或字节；未被修改的文件始终指向原始只读层，零额外开销。

容器镜像的分层结构

Docker 等容器运行时基于 UnionFS（或其现代替代如 overlay2）组织镜像。每个 FROM 指令生成一层，每层是一个只读的 tar 包，包含文件系统变更（新增/修改/删除）。

• 基础层（如 ubuntu:22.04）提供 /bin、/usr 等目录
• 中间层（如 RUN apt install curl）只记录 curl 及其依赖文件的增删
• 镜像本身不含“完整文件系统”，而是层叠的差分集合

docker images 显示的 SIZE 是该层自身增量大小，不是解压后占用；实际磁盘占用取决于各层复用程度。

可写层与容器生命周期绑定

容器启动时，运行时会在镜像最上层之上挂载一个新的空可写层（即容器层）。所有运行时产生的文件（如日志、临时文件、应用状态）都落在此层。

• 容器停止后，该层仍存在，可提交为新镜像（docker commit）
• 容器删除（docker rm）默认会清除该可写层，除非使用 --volumes 或绑定挂载持久化数据
• 同一镜像启动的多个容器，各自拥有独立可写层，互不影响

overlay2 中的 CoW 实际体现

当前 Docker 默认使用 overlay2 驱动，它是 UnionFS 思想的高效实现，含三个关键目录：

• lowerdir：只读镜像层，按顺序拼接（冒号分隔）
• upperdir：容器可写层，存放所有写入和删除标记（whiteout）
• merged：对外暴露的统一挂载点，程序看到的“根文件系统”

例如，删除 /etc/passwd 时，overlay2 并不真删 lowerdir 中的文件，而是在 upperdir 创建一个 .wh.passwd 标记，使 merged 视图中该路径不可见——这也是 CoW 在语义层的延伸。