樹莓派的本領就不多說了。但是在樹莓派的應用場合，關機的時候還是顯得尷尬，先不說執行 sudo halt 要麼需要ssh上去，要麼需要有鍵盤和顯示器，更不要說，有的場景可能連網路和顯示器都沒有，真正的 headless。 但是如果不執行sudo halt直接關電源，那麼有很大的概率會損壞SD卡上的檔案系統，甚至損壞SD卡。

overlayfs是linux系統下的一種影子檔案系統，它可以把真正的儲存檔案系統作為只讀掛載，而把所有檔案改動都存放在RAM中，關機或者重啟就失效，真正的保護了儲存檔案系統。  下面就說一下我在樹莓派中實施overlayfs的方法，其實很簡單。

我參考了這個帖子中介紹的方法：

https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?t=173063#p1151405

1. 首先，禁用交換空間，畢竟樹莓派裡的交換空間也是佔用RAM（tempfs）的，所以如果使用了overlayfs後，交換空間就顯得沒有意義了。

執行如下3條命令：

  sudo dphys-swapfile swapoff
  sudo dphys-swapfile uninstall
  sudo update-rc.d dphys-swapfile remove

2. 更新系統，保證系統為最新狀態

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
 

3. 儲存如下指令碼為 overlayRoot.sh

#!/bin/sh
#  Read-only Root-FS for Raspian using overlayfs
#  Version 1.0
#
#  Created 2017 by Pascal Suter @ DALCO AG, Switzerland
#  to work on Raspian as custom init script
#  (raspbian does not use an initramfs on boot)
#
#  Modified 2017-Apr-21 by Tony McBeardsley 
#
#  This program is free software: you can redistribute it and/or modify
#  it under the terms of the GNU General Public License as published by
#  the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
#  (at your option) any later version.
#
#  This program is distributed in the hope that it will be useful,
#  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
#  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
#  GNU General Public License for more details.
#
#    You should have received a copy of the GNU General Public License
#    along with this program.  If not, see
#    <http://www.gnu.org/licenses/>.
#
#
#  Tested with Raspbian mini, 2017-01-11
#
#  This script will mount the root filesystem read-only and overlay it with a temporary tempfs 
#  which is read-write mounted. This is done using the overlayFS which is part of the linux kernel 
#  since version 3.18. 
#  when this script is in use, all changes made to anywhere in the root filesystem mount will be lost 
#  upon reboot of the system. The SD card will only be accessed as read-only drive, which significantly
#  helps to prolong its life and prevent filesystem coruption in environments where the system is usually
#  not shut down properly 
#
#  Install: 
#  copy this script to /sbin/overlayRoot.sh and add "init=/sbin/overlayRoot.sh" to the cmdline.txt 
#  file in the raspbian image's boot partition. 
#  I strongly recommend to disable swapping before using this. it will work with swap but that just does 
#  not make sens as the swap file will be stored in the tempfs which again resides in the ram.
#  run these commands on the booted raspberry pi BEFORE you set the init=/sbin/overlayRoot.sh boot option:
#  sudo dphys-swapfile swapoff
#  sudo dphys-swapfile uninstall
#  sudo update-rc.d dphys-swapfile remove
#
#  To install software, run upgrades and do other changes to the raspberry setup, simply remove the init= 
#  entry from the cmdline.txt file and reboot, make the changes, add the init= entry and reboot once more. 

fail(){
	echo -e "$1"
	/bin/bash
}


# Load overlay module
modprobe overlay
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail "ERROR: missing overlay kernel module"
fi


# Mount /proc
mount -t proc proc /proc
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail "ERROR: could not mount proc"
fi


# Create a writable fs on /mnt to then create our mountpoints 
mount -t tmpfs inittemp /mnt
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail "ERROR: could not create a temporary filesystem to mount the base filesystems for overlayfs"
fi


# Mount a tmpfs under /mnt/rw
mkdir /mnt/rw
mount -t tmpfs root-rw /mnt/rw
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail "ERROR: could not create tempfs for upper filesystem"
fi



# Identify root fs device, PARTUUID, mount options and fs type

#rootDev=`blkid -o list | awk '$3 == "/" {print $1}'`
# Changed here(point to / ) in case the cmd above doesn't work # By ChenYang 20171122
rootDev=/dev/mmcblk0p2
rootPARTUUID=`awk '$2 == "/" {print $1}' /etc/fstab`
rootMountOpt=`awk '$2 == "/" {print $4}' /etc/fstab`
rootFsType=`awk '$2 == "/" {print $3}' /etc/fstab`


# Mount original root filesystem readonly under /mnt/lower
mkdir /mnt/lower
mount -t ${rootFsType} -o ${rootMountOpt},ro ${rootDev} /mnt/lower
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail "ERROR: could not ro-mount original root partition"
fi


# Mount the overlay filesystem
mkdir /mnt/rw/upper
mkdir /mnt/rw/work
mkdir /mnt/newroot
mount -t overlay -o lowerdir=/mnt/lower,upperdir=/mnt/rw/upper,workdir=/mnt/rw/work overlayfs-root /mnt/newroot
if [ $? -ne 0 ]; then
    fail "ERROR: could not mount overlayFS"
fi


# Create mountpoints inside the new root filesystem-overlay
mkdir /mnt/newroot/ro
mkdir /mnt/newroot/rw

# Remove root mount from fstab (this is already a non-permanent modification)
grep -v "$rootPARTUUID" /mnt/lower/etc/fstab > /mnt/newroot/etc/fstab
echo "#the original root mount has been removed by overlayRoot.sh" >> /mnt/newroot/etc/fstab
echo "#this is only a temporary modification, the original fstab" >> /mnt/newroot/etc/fstab
echo "#stored on the disk can be found in /ro/etc/fstab" >> /mnt/newroot/etc/fstab


# Change to the new overlay root
cd /mnt/newroot
pivot_root . mnt
exec chroot . sh -c "$(cat <<END

	# Move ro and rw mounts to the new root
	mount --move /mnt/mnt/lower/ /ro
	if [ $? -ne 0 ]; then
	    echo "ERROR: could not move ro-root into newroot"
	    /bin/bash
	fi
	mount --move /mnt/mnt/rw /rw
	if [ $? -ne 0 ]; then
	    echo "ERROR: could not move tempfs rw mount into newroot"
	    /bin/bash
	fi

	# Unmount unneeded mounts so we can unmout the old readonly root
	umount /mnt/mnt
	umount /mnt/proc
	umount /mnt/dev
	umount /mnt

	# Continue with regular init
	exec /sbin/init
END
)"
 

注意，我的指令碼和帖子裡面的有些不同，我把

rootDev=`blkid -o list | awk '$3 == "/" {print $1}'`

改成了

rootDev=/dev/mmcblk0p2

不改的話，我這裡overlayRoot.sh會執行失敗

（20180503更新）另外需要注意，如果在Windows下編輯overlayRoot.sh檔案，需要儲存為Unix文字文件格式，即行結束符為單個LF字元，而不是Windows風格的CR+LR兩個字元。否則你可能會看到如下錯誤：

---[ end Kernel panic - not syncing: Requested init /sbin/overlayRoot.sh failed (error -2).

4. 將指令碼拷貝到 /sbin/overlayRoot.sh

sudo cp overlayRoot.sh /sbin/overlayRoot.sh
sudo chmod a+x /sbin/overlayRoot.sh

5. 修改 cmdline.txt 檔案，在行尾加上 "init=/sbin/overlayRoot.sh"，如下是我的 /boot/cmdline.txt 檔案的內容

[email protected]:~ $ cat /boot/cmdline.txt 
dwc_otg.lpm_enable=0 console=serial0,115200 console=tty1 root=PARTUUID=0e82c2e4-02 rootfstype=ext4 elevator=deadline fsck.repair=yes rootwait init=/sbin/overlayRoot.sh

6. 為了保證整個SD卡都是隻讀，將 /boot 分割槽也修改為只讀， 修改 fstab 檔案，把/boot 對應的行改為ro，我的/etc/fstab檔案內容如下

[email protected]:~ $ cat /etc/fstab 
proc            /proc           proc    defaults          0       0
PARTUUID=0e82c2e4-01  /boot           vfat    defaults,ro          0       2
PARTUUID=0e82c2e4-02  /               ext4    defaults,noatime  0       1

7. 到這裡 sudo reboot 重啟，重啟後，檔案系統就處於影子系統的保護之下了，所有對於檔案系統的改動，在重啟後都將恢復原狀。 用mount命令可以確認overlayfs的正常工作。

root-rw on /rw type tmpfs (rw,relatime)
/dev/mmcblk0p2 on /ro type ext4 (ro,noatime,data=ordered)
overlayfs-root on / type overlay (rw,relatime,lowerdir=/mnt/lower,upperdir=/mnt/rw/upper,workdir=/mnt/rw/work)
sysfs on /sys type sysfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)
proc on /proc type proc (rw,relatime)
devtmpfs on /dev type devtmpfs (rw,nosuid,size=470160k,nr_inodes=117540,mode=755)
tmpfs on /dev/shm type tmpfs (rw,nosuid,nodev)
devpts on /dev/pts type devpts (rw,nosuid,noexec,relatime,gid=5,mode=620,ptmxmode=000)
tmpfs on /run type tmpfs (rw,nosuid,nodev,mode=755)
tmpfs on /run/lock type tmpfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,size=5120k)
tmpfs on /sys/fs/cgroup type tmpfs (ro,nosuid,nodev,noexec,mode=755)
cgroup on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,xattr,release_agent=/lib/systemd/systemd-cgroups-agent,name=systemd)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpu,cpuacct)
cgroup on /sys/fs/cgroup/blkio type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,blkio)
cgroup on /sys/fs/cgroup/devices type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,devices)
cgroup on /sys/fs/cgroup/cpuset type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,cpuset)
cgroup on /sys/fs/cgroup/memory type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,memory)
cgroup on /sys/fs/cgroup/freezer type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,freezer)
cgroup on /sys/fs/cgroup/net_cls type cgroup (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,net_cls)
systemd-1 on /proc/sys/fs/binfmt_misc type autofs (rw,relatime,fd=25,pgrp=1,timeout=0,minproto=5,maxproto=5,direct)
debugfs on /sys/kernel/debug type debugfs (rw,relatime)
sunrpc on /run/rpc_pipefs type rpc_pipefs (rw,relatime)
mqueue on /dev/mqueue type mqueue (rw,relatime)
configfs on /sys/kernel/config type configfs (rw,relatime)
/dev/mmcblk0p1 on /boot type vfat (ro,relatime,fmask=0022,dmask=0022,codepage=437,iocharset=ascii,shortname=mixed,errors=remount-ro)
tmpfs on /run/user/1000 type tmpfs (rw,nosuid,nodev,relatime,size=94952k,mode=700,uid=1000,gid=1000)

原來的根檔案系統 /dev/mmcblk0p2 改為掛載在 /ro ，並且是隻讀；/boot 也掛載為只讀；而 / 的 type 變成了overlay。

好了，直接拔電試試看吧。事實上你可以反覆嘗試不正常關機，都不會有問題。

8. 以後如果想禁用overlayfs，可以修改 cmdline.txt 把 "init=/sbin/overlayRoot.sh" 刪掉，重啟即可。 當然修改前要先把 /boot remount 成可寫狀態。

更新系統等操作都需要先禁用overlayfs後再執行。

9. 如果臨時想修改原 /boot 以及根檔案系統的內容可以如下命令remount

要remount /boot為可寫

[email protected]:~ $ sudo mount -o remount,rw /boot

原來的根檔案系統在overlayfs下是掛載在 /ro 的，要remount的話

[email protected]:~ $ sudo mount -o remount,rw /ro

注意，remount檔案系統為可寫後，要重啟和關機需要使用sudo reboot或者sudo halt，不可以強行非正常關機，以免損壞檔案系統。

PS. 網上有人報告，如果在不接顯示器的情況下（即 headless），如上指令碼會執行失敗，但是我不接顯示器時並沒有遇到此問題 。

PS2. 網上有另外一個指令碼，連結如下

https://gist.githubusercontent.com/niun/34c945d70753fc9e2cc7/raw/3d60338cd8d8daf740692f426a5a1ec17839d613/root-ro

使用了  update-initramfs 的方式，我在官方系統中可以使用，但是在修改了核心的系統中，執行失敗。

【20180717後記】

--- 如果開啟了overlay以後，root分割槽的所有變動重啟後都會丟失，如果要儲存資料，可以縮小root分割槽後另外建立一個分割槽，使用FAT32，並mount為rw, sync, flush，用來儲存資料，另外最好使用f2fs分割槽格式，據說f2fs就是針對SD卡之類的儲存優化設計的。當然儲存資料的頻率不要太高，否則異常關機仍有可能會損壞SD卡，就失去使用overlay的意義了。 如果儲存資料的頻率很高，比如log，可以考慮儲存到外接U盤。

--- 也有人把 /boot 掛載為rw並臨時存放資料，我認為那是不可取的，因為 /boot 裡面存放的是啟動設定資訊以及核心等。

--- 網上也有人修改指令碼，（https://github.com/jacobalberty/root-ro），使得可以短路某GPIO後啟動系統就可寫，斷開後啟動就只讀。這是個好主意，有空研究一下。  

【20180720更新】 為了方便識別當前系統是不是在overlayfs模式下，我在 .bashrc 的結尾加上如下幾行（當然必須在非overlayfs下修改，否則修改內容不會儲存），這樣如果是在overlayfs模式下，命令提示行的前面會加上“[OVL]”

find_overlay=`mount | grep overlay`

if [ ${#find_overlay} -gt 0 ]; then
  PS1="[OVL] $PS1"
fi

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