张智博，SUSE大中华区容器解决方案总监。9年的云计算领域经验，一直活跃在研发一线，经历了OpenStack到Kubernetes的技术变革，无论底层操作系统Linux，还是虚拟化KVM或是Docker容器技术都有丰富的研发和实践经验。
背景
openSUSE作为一个发展历史悠久的Linux家族，有很多分支版本。其中，MicroOS是源于Immutable OS理念提出的较新的分支。Immutable即为不可变，在云原生领域中，Immutable是非常重要的发展方向，以这种理念构建整个业务体系，可以极大简化运维复杂度。在上篇文章《入门实战|不可变操作系统MicroOS安装指南》的结尾处我们了解了Immutable特性的基本原理，本文我们将对其进行深入探索。
时效性提示：本文使用openSUSE MicroOS版本为20210306。
Btrfs的特性
Btrfs是Linux下非常有机会替代ext4的下一代文件系统，功能非常强大。MicroOS中运用了Btrfs两个关键特性subvolume和snapshot。
对于subvolume，可以理解为一个虚拟的设备，由Btrfs管理，创建好了之后就自动挂载到了Btrfs文件系统的一个目录上，所以我们在文件系统里面看到的subvolume就是一个目录，但它是一个特殊的目录，具有挂载点的一些属性。
对于snapshot，可以在subvolume的基础上制作，几点需要注意：
默认情况下subvolume的快照是可写的
快照是特殊的subvolume，具有subvolume的属性。
所以快照也可以通过mount挂载，也可以通过Btrfs property命令设置只读属性
由于快照的本质就是一个subvolume，所以可以在快照上面再做快照
在subvolume上做了快照后，subvolume和快照就会共享所有的文件，只有当文件更新的时候，才会触发COW（copy on write），所以创建快照很快，基本不花时间，并且Btrfs的COW机制很高效，就算多个快照共享一个文件，更新这个文件也和更新一个普通文件差不多的速度。
MicroOS使用Btrfs作为RootFS的文件系统，核心依托snapshot机制实现了Immutable特性。
深入分析
MicroOS的Initrd是基于dracut（https://linux.die.net/man/8/dracut)构建的，并使用systemd作为Initrd的init程序，我们可以通过大GRUB中添加一个kernel cmdline（rdinit=/bin/sh）进入Initrd，分析MicroOS的根磁盘挂载和启动过程。Dracut配合systemd在Initrd中的执行过程，可参考dracut-bootup。Dracut支持在kernel cmdline中设置根磁盘的挂载点，在MicroOS中，可以查看下面文件探知一二：
我们可以大概知道，MicroOS使用对应的根磁盘设备（root=UUID=xxx），以及使用Btrfs的一个subvolume作为根目录（rootflags subvol）。这个subvolume其实是基于Btrfs的snapshot生成的，这样每次启动时在GRUB中注入kernel cmdline可以控制启动时根目录使用哪个snapshot，这样就实现了Immutable特性。比如，之前使用transactional-update命令安装了Docker软件包，它会基于调整后的RootFS生成一个新的snapshot（snapshot也是一种特殊的subvolume），也会更新GRUB的cmdline参数指向新的snapshot。当我们再次启动系统时，就会挂载新的snapshot作为根目录，用户的一切操作会在新的根目录进行。
从Initrd到完整进入OS，需要把systemd的若干units都执行完毕。这个过程中，除了会把当前snapshot挂载到Initrd的sysroot目录外，还会把sysroot的fstab中包含xinitrd-mount option的卷挂载。最终通过switch rootfs，将根目录从Initrd的根切换到sysroot，而sysroot则是挂载的Btrfs的snapshot。
完整进入OS后，通过btrfs的相关命令，可以展示系统中的snapshot。可以看到snapshot3，而它就是前面展示的Initrd在启动时挂载的RootFS：
几乎所有的Immutable OS有一个特色就是根目录默认是只读的，只允许在一些特定的数据目录中可写。这里我们可以查看根目录的Btrfs属性得知，通过以下命令得其属性为readonly。当然，一旦使用transactional-update更新RootFS，新的snapshots会首先是可写的，一切就就绪后会设置为只读，以便系统重启后可以使用它：
默认安装时，MicroOS的自动分区模式会把磁盘分割成三部分：
sda1作为EFI的boot分区，挂载到/boot/efi，这也是大部分发行版的标准做法
sda2是Btrfs类型文件系统，挂载到根目录，是整个MicroOS的Immutable特性的关键，可以看到大量使用了Btrfs的subvol
sda3就是普通的数据分区，挂载的/var。不过，默认分区模式下还是使用Btrfs，对于Docker容器常用的 /var/lib/docker 目录而言，Btrfs可能是个性能瓶颈（我们在后续文章中探讨如何解决）
我们这里主要看sda1，它相当于系统的根分区。在这个设备上建立的Btrfs包含很多subvol（下图可以看到）：
除了snapshot之外（前面讲过），其他的subvolume都是可写的，并挂载到系统的特定目录中。尽管Immutable特性让根目录几乎是只读的，但是我们依然需要在个别目录保存一些数据，这些目录被排除在Immutable特性之外。因为通常都是非核心系统相关，大都和用户个人的操作行为有关，这也是Immutable OS通用的做法。
这里可以看到大量的subvolume使用“@”这个特殊字符，这是Btrfs的一个技巧。因为在系统中，根目录“/”挂载的是snapshot3，而要在这个snapshot3的RootFS中挂载其他的subvolume，需要一种表达方式确认subvolume的Path。由于MicroOS在Initrd时就挂载snapshot3，此时系统中已经无法使用明确的路径描述subvolume的Path，“@”恰好可以代表某个subvolume所在的Btrfs本身，通过它来引用其他的subvolume。
系统中/etc目录是一个特殊的存在，更改系统配置是一个偶尔发生的操作，需要让/etc目录是可写的。这里使用了一个overlayfs，在较旧的快照中的更改也将对较新的快照可见，所以该目录不必位于单独的分区上.
由于其具备x-initrd.mount option，所以它是在Initrd过程中被挂载的，我们可以看到lowerdir和updir等还具备sysroot前缀。但是，Initrd最终会执行switch rootfs，所以我们在进入完整系统中可以在/var/lib/overlay目录中查看对应信息。
回滚RootFS
每次snapshot都可以作为系统的回滚点，最简洁的方式就是在GRUB中选择希望回滚的快照，进入GRUB后选择“start bootloader from a read-only snapshot”：
当然，我们还可以使用transactional-update rollback命令来实现回滚，执行它之前，需要使用snapper获取snapshot ID。比如，当前RootFS在snapshot4，我们将其回滚到snapshot3：
重启后，再次查看，可以看到当前系统RootFS已经回滚到snapshot3。
当然，如果觉得snapshot过多，则可以使用transactional-update和snapper命令把一些不需要的snapshot进行删除，让系统更加清爽简洁。
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