ユニオンマウント

コンピュータの オペレーティングシステム において、ユニオンマウントとは、複数のディレクトリを1つに結合し、結合した内容を含むように見せる方法です。^{[1]ユニオンマウントは、} Linux、BSDとその後継システムのいくつか、およびPlan 9でサポートされており、動作は似ていますが微妙に異なります。

ユニオンマウントの応用例として、CD-ROMまたはDVDに含まれる情報を更新する必要性を考えてみましょう。CD-ROM は書き込み不可ですが、ユニオンマウントで CD のマウントポイントを書き込み可能なディレクトリにオーバーレイすることができます。すると、ユニオンディレクトリ内のファイルを更新すると、それらのファイルは書き込み可能なディレクトリに配置され、CD-ROM の内容が更新されたように見えます。^{[1] [2]}

ベル研究所の Plan 9 オペレーティングシステム(1980 年代半ば以降) では、ユニオンマウントが中心的な概念であり、いくつかの古いUnix規則をユニオンディレクトリに置き換えました。たとえば、実行可能ファイルを含む複数のディレクトリを 1 つの/binディレクトリに結合し、シェルでのコマンド検索のPATH変数を置き換えました。 ^[3]

Plan 9 のユニオンセマンティクスは、 POSIXスタイルのオペレーティングシステムの実装に比べて大幅に簡素化されています^{。2 つのディレクトリのユニオンは、単にそれらの内容を連結するだけなので、ユニオンのディレクトリリストには重複した名前が表示される場合があります。また、サブディレクトリを再帰的にマージする処理は行われないため、実装は非常にシンプルです。[4]}ディレクトリは制御可能な順序でユニオンされます。u /name ( uはユニオンディレクトリ)は、そのようなファイルを含む最初の構成ディレクトリ内のnameというファイルを表します。^[4]

Unix/POSIXのユニオン実装は、従来のUnixファイルシステムの動作の制約により、Plan 9の実装とは異なる要件があり、実装が非常に複雑になり、妥協が必要になることがよくあります。^[5] Unixライクなオペレーティングシステムでのユニオンマウントで発生する問題には、次のものがあります。

• ディレクトリ内でファイル名が重複することは、Unixファイルシステムの動作に関するアプリケーションの期待に反するため、許容されません。ユニオンの構成要素に論理的なスタックのような優先順位を設定すると、この問題は部分的に解決されますが、ディレクトリの一覧表示中にスキップする必要があるファイルを記録するためのメモリが必要になります（それ以外の場合は、ほぼステートレスな操作です）。^[5]
• 削除には特別なサポートが必要です。ユニオンディレクトリの複数の構成要素に同じ名前のファイルが存在する場合、構成要素の1つからファイルを削除するだけで、代わりに他の構成要素のファイルが再び表示されます。^[5]
• スタックにディレクトリを挿入すると、カーネルのファイル名キャッシュに不整合が生じる可能性があります。^[5]
• マウントされた単一のファイルシステム内でのファイル名の変更（renameシステムコールを使用）はアトミック操作であるべきですが、ユニオンマウント内でのファイル名の変更は、ユニオンを構成する複数のディレクトリの変更を必要とする場合があります。考えられる解決策としては、このような状況で名前の変更を禁止し、代わりにコピーと削除の実装を要求することです。^[2]
• ファイル、ハードリンク、メモリマップI/O（mmap ）の安定したinode番号を正しく実装することは困難です。^[2]

Unix ファイルシステムにユニオンを追加する初期の試みとしては、3-d ファイルシステム ( Bell Labs ) やSunOSの Translucent File Service ( Sun Microsystems、1988 ^[2] ) などがある。ユニオンマウントの実装は、これらの初期の試み、 Plan 9 、およびSpringのスタック可能なファイルシステム(Sun、1994)からヒントを得て、BSD 版 Unix のバージョン4.4 (1994) で追加されている。 ^[1] 4.4BSD は、上で概説したディレクトリのスタック方式を実装している。 Plan 9 と同様に、操作は名前を解決するためにこのスタックをトップダウンで走査するが、 Plan 9 とは異なり、BSD ユニオンマウントは再帰的であるため、サブディレクトリの内容はユニオンディレクトリ内でマージされた状態で表示される。 また、 Plan 9 バージョンとは異なり、最上位以外のすべてのレイヤーは読み取り専用である。つまり、ユニオン内のファイルを変更すると、その内容がまずスタックの最上位レイヤーにコピーされ、そこで変更内容が適用される。ファイルの削除は、ホワイトアウトと呼ばれる特殊なタイプのファイルをトップディレクトリに書き込むことによって実装されます。ホワイトアウトは、ファイル名を存在しないものとしてマークし、スタックの下位層にある同じ名前のファイルを非表示にする効果があります。^[1]ホワイトアウトには、基盤となるファイルシステムからのサポートが必要です。^[4]

ユニオンマウントは1993年にLinux 0.99で実装されました。この最初の実装はInheriting File Systemと呼ばれていましたが、複雑さのために開発者によって放棄されました。^[2]次の主要な実装はUnionFSで、ストーニーブルック大学のFiSTプロジェクトから生まれました。^{[6] [5]} UnionFSを置き換える試みであるaufsは2006年にリリースされ、2009年にはOverlayFSが続きました。^[2] 2014年にOverlayFSユニオンマウントの実装が標準のLinuxカーネルソースコードに追加されました。^[7]

同様に、GlusterFSは、同じマシン上ではなく、ネットワーク上に分散された異なるファイルシステムをマウントする機能を提供します。^[8]

MergerFSは2014年にリリースされ、活発に開発されているオープンソースのFUSEプラグインで、任意のディレクトリのプールを可能にします。^[9]