Linux基础之-BTRFS文件系统

快来打我* 2023-06-08 14:59 17阅读 0赞

# BTRFS**：** #

BTRFS（通常念成Butter FS），**被称为下一代的LINUX文件系统**，由Oracle于2007年宣布并进行中的[COW][](copy-on-write式)文件系统。目标是取代[Linux][]目前的[ext3][]文件系统，改善ext3的限制，特别是单一文件大小的限制，总文件系统大小限制以及加入[文件校验][Link 1]和特性。加入目前ext3/4未支持的一些功能，例如可写的[磁盘快照][Link 2](snapshots)，以及支持[递归][Link 3]的快照(snapshots of snapshots)，内建[磁盘阵列][Link 4]（RAID）支持，支持子卷(Subvolumes)的概念，允许在线调整文件系统大小。

### **BTRFS特性：** ###

首先是扩展性 (scalability) 相关的特性，btrfs 最重要的设计目标是应对大型机器对文件系统的扩展性要求。 Extent，[B-Tree][]和动态 inode 创建等特性保证了 btrfs 在大型机器上仍有卓越的表现，其整体性能而不会随着系统容量的增加而降低。

其次是[数据一致性][Link 5] (data integrity) 相关的特性。系统面临不可预料的硬件故障，Btrfs 采用 COW 事务技术来保证文件系统的一致性。 btrfs 还支持 checksum，避免了 silent corrupt 的出现。而传统文件系统则无法做到这一点。

第三是和多设备管理相关的特性。 Btrfs 支持创建快照 ([snapshot][])，和克隆 ([clone][]) 。 btrfs 还能够方便的管理多个[物理设备][Link 6]，使得传统的卷管理软件变得多余。

最后是其他难以归类的特性。这些特性都是比较先进的技术，能够显著提高文件系统的时间 / 空间性能，包括延迟分配，小文件的存储优化，目录索引等。

### 优化支持 ###

SSD 是固态存储 Solid State Disk 的简称。在过去的几十年中，CPU/RAM 等器件的发展始终遵循着[摩尔定律][Link 7]，但硬盘 HDD 的读写速率却始终没有飞跃式的发展。磁盘 IO 始终是系统性能的瓶颈。

SSD 采用 flash memory 技术，内部没有磁盘磁头等机械装置，读写速率大幅度提升。 flash memory 有一些不同于 HDD 的特性。 flash 在写数据之前必须先执行擦除操作；其次，flash 对擦除操作的次数有一定的限制，在目前的技术水平下，对同一个[数据单元][Link 8]最多能进行约 10 万次擦除操作，因此，为了延长 flash 的寿命，应该将写操作平均到整个 flash 上。

SSD 在硬件内部的[微代码][Link 9]中实现了 wear leveling 等分布写操作的技术，因此系统无须再使用特殊的 MTD 驱动和 FTL 层。虽然 SSD 在硬件层面做了很多努力，但毕竟还是有限。文件系统针对 SSD 的特性做优化不仅能提高 SSD 的使用寿命，而且能提高读写性能。 Btrfs 是少数专门对 SSD 进行优化的文件系统。 btrfs 用户可以使用 mount 参数打开对 SSD 的特殊优化处理。

Btrfs 的 COW 技术从根本上避免了对同一个物理单元的反复写操作。如果用户打开了 SSD 优化选项，btrfs 将在底层的块空间分配策略上进行优化：将多次磁盘空间分配请求聚合成一个大小为 2M 的连续的块。大块连续地址的 IO 能够让固化在 SSD 内部的[微代码][Link 9]更好的进行读写优化，从而提高 IO 性能 。

### **btrfs文件系统的创建** ###

使用 **mkfs.btrfs** 命令来创建BTRFS文件系统（Centos 7）：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

查看系统上现有的硬盘、分区信息，我们使用3块空闲硬盘来创建BTRFS（在同一个分区上创建BTRFS意义不大）：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

默认DATA数据存储类型为：RAID0，元数据METADATA存储类型为：RAID1，后面可以通过命令来修改RAID模式

挂载使用BTRFS，3个组成的磁盘都可以成为挂载设备：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

查看BTRFS信息：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

调整BTRFS的大小，先减少10G，再增加2G，最后扩容到最大：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

由于BTRFS 支持在线调整，不需要事先卸载。

下面将其中一块硬盘移除出BTRFS，这之前先拷贝一些文件进来，前后对比文件读写是否有问题：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

下面将 /dev/sdb 磁盘移除，BTRFS在移除设备时会先自动移动数据，查看分区内的文件是否能正常读取：

### **注：移除分区内的存储文件不足以在剩余的BTRFS空间上保存时，数据将会丢失请谨慎操作！** ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

下面将刚才移除的 /dev/sdb 重新添加进来：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

使用 balance 选项开启平衡特性，这个时间因数据大小而延长。

下面我们使用 balance start 参数将数据、元数据的RAID类型更改为RAID5（RAID5需要至少3块硬盘，不然会转换失败）：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

BTRFS还支持创建多个子卷，相当于多个分区，子卷可以分别挂载到系统的不同路径下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

使用 balance   list   show 选项可以显示子卷名称、信息：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

使用 balance snapshot选项给子卷创建快照：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

使用 btrfs-convert 可以将其他类型的分区，在不损坏分区存储文件的前提下转换为BTRFS类型：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

我们将 /dev/sdb1 和 sdb2 分区都转换成BTRFS类型，验证文件是否能正常读写：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 13][]

之前2个分区挂载、读写都正常：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 14][]

卸载2个分区后，分别转换，然后重新挂载：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 15][]

使用 -r 选项可以还原到原先的分区类型：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 16][]

[COW]: https://baike.baidu.com/item/COW/3695670
[Linux]: https://baike.baidu.com/item/Linux/27050
[ext3]: https://baike.baidu.com/item/ext3/822591
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E6%96%87%E4%BB%B6%E6%A0%A1%E9%AA%8C/3409194
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E7%A3%81%E7%9B%98%E5%BF%AB%E7%85%A7/10510314
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E9%80%92%E5%BD%92/1740695
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E7%A3%81%E7%9B%98%E9%98%B5%E5%88%97/1149823
[B-Tree]: https://baike.baidu.com/item/B-Tree/6606402
[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%B8%80%E8%87%B4%E6%80%A7
[snapshot]: https://baike.baidu.com/item/snapshot/11003748
[clone]: https://baike.baidu.com/item/clone/9895075
[Link 6]: https://baike.baidu.com/item/%E7%89%A9%E7%90%86%E8%AE%BE%E5%A4%87/2692368
[Link 7]: https://baike.baidu.com/item/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B
[Link 8]: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%8D%95%E5%85%83
[Link 9]: https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AE%E4%BB%A3%E7%A0%81
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