Btrfs 使用心得及布局管理
谈谈新文件系统 btrfs，新功能、新概念以及使用体验
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前言
Btrfs 是 Linux 系统下的新一代文件系统。相比于传统 Ext4 类文件系统提出了诸如写时复制、子卷、快照等概念。尽管仍然可以像对待 Ext4 一样使用 Btrfs，但创造布局合理的子卷才能充分提高 Btrfs 各方面的使用效率。
前排提示：btrfs 仍在开发过程中，为了减少 bug，及更高的稳定性，请不要使用年代久远失修的祖传内核。
其实如果不考虑子卷布局，不作系统盘，仅仅用来存放资料或者当个 NAS，可以不用管子卷布局，直接 compress=zstd 挂载，然后当普通的 Ext4 用。
平铺式子卷布局
所谓平铺即 Flatten，所有子卷上层均为 subvolid=5 的根子卷。
举个例子，创建如下结构的子卷
- 根子卷 (subvolid=5)
| - mypc (子卷，挂载到 /mnt)
| - home (子卷，挂载到 /mnt/home)
| - snapshot (文件夹，不是子卷)
| | - home.backup.2021.08.25 (子卷的快照)
这么做的好处在于，可以轻松找到、删除、恢复任意子卷。因为如果要访问子卷，必须要先访问上层子卷。如果子卷中包含其他子卷，那么这个子卷是不能直接被删除的。
实际操作来说，即 mouunt /dev/sda1 /btrfs -o compress=zstd,noatime,subvolid=5 挂载默认 ID 为 5 的根子卷。这里假设 /dev/sda1 为 Btrfs 格式分区，/btrfs 可以使其他任意挂载点。
然后在根子卷中创建子卷，以常见的 Linux 系统布局为例 btrfs sub create /btrfs/mypc 创建名为 mypc 的子卷，它将挂载为 Linux 系统的根目录。
同理可以创建更多子卷（如果需要）btrfs sub create /btrfs/home 这个子卷将挂载为系统 home 目录
接着可以挂载子卷了 mount /dev/sda1 /mnt -o subvol=mypc 以及刚刚创建的 home 目录 mount /dev/sda1 /mnt/home -o subvol=home
要注意，挂载的子卷会对 第一个挂载的子卷参数 生效，即后来挂载的 mypc 和 home 子卷都会应用 subvolid=5 根子卷的 compress=zstd 等参数。这是因为相关代码还没有实现。引用自 btrfs(5) $MOUNT OPTIONS，可前往 btrfs wiki FAQ 查阅哪些参数能够独立应用于子卷。
快照布局及恢复快照
快照属于子卷的一种，因此咱习惯将快照放在根子卷中。同时，为了方便管理，咱会在根子卷中创建名为 snapshot 的 文件夹 （不是子卷）。
创建只读快照 btrfs sub snapshot /btrfs/home /btrfs/snapshot/home.backup.2021.08.25
如果要恢复子卷的快照，先卸载子卷 umount /mnt/home，然后删除子卷 btrfs sub del -c /btrfs/home，最后对只读快照进行快照，得到可写入的快照 btrfs sub snapshot /btrfs/snapshot/home.backup.2021.08.25 /btrfs/home 重新挂载 home 子卷即可。
如果系统存放在根子卷中
将系统存放在根子卷，这也是咱最开始的做法，目录结构如下
- 根子卷 (subvolid=5)
| - snapshot (文件夹，存放快照)
| | - backup.2021.08.24 (全盘快照)
| | - backup.2021.08.25 (全盘快照)
| - bin (Linux 文件夹，下同)
| - boot
| - dev
| - ...
这么布局没有什么问题，功能也一切正常，直到有一天咱尝试恢复全盘快照……
如果更改默认子卷，那么不仅要重新安装 grub，还要手动删除根子卷中的系统文件（因为根子卷是快照的上层子卷，不能删除根子卷），实在不够优雅。
备份子卷
快照不是备份，就算打了一万个快照，文件数据在磁盘中也只有一份。为了防止故障发生（硬盘物理损坏等），有必要定期将数据备份到外部磁盘。
使用 btrfs send /btrfs/home | btrfs receive /path/to/other/disk 将子卷发送到外部存储。还可以使用 -p 参数增量发送子卷。
要注意，如果被发送的子卷开启了压缩，管道中传输的数据是解压后的文件原数据。也就是说，发送子卷到外部存储是否会被压缩，取决于外部存储的挂载参数。
对特定目录禁用 COW
COW 即写时复制，对于数据库或虚拟机等应用可能希望禁用 COW 以提升性能。前面提到过，只有第一个挂载的子卷参数会生效，所以挂载了第一个子卷后，对其他子卷使用 nocow 参数挂载是无效的，系统不会报错，而是悄悄忽略掉 nocow 参数。
在单个文件系统中，无法使用 nodatacow 参数挂载某些子卷，而其他的使用 datacow 参数。第一个被挂载子卷的挂载参数将会应用于其他所有子卷。引用自 btrfs(5) $MOUNT OPTIONS
要单文件或目录禁用写时复制特性，请使用下面的命令：
chattr +C /path/to/file/or/folder
注意：在 Btrfs 上，‘C’ 标志应该被设置在新建的或者是空白的文件/目录，如果被设置在已有数据的文件，当块分配给该文件时，文件将不确定是否完全稳定。如果 ‘C’ 标志被设置给一个目录，将不会影响目前的目录，但在该目录创建的新文件将具有
No_COW属性。引用自 chattr 手册页。
RAID
在单盘情况下，如果硬盘是机械硬盘等旋转类设备，Btrfs 中的元数据将以 DUP 的 RAID 等级存储。DUP 即在磁盘头部和尾部各存储一份数据，假设头部部分数据损坏，将自动使用尾部的备份进行恢复。默认情况下数据是以 single 即单份存储。
详细 RAID 等级可以使用命令 btrfs fi df 或者 btrfs device usage 查看
$ btrfs fi df /
Data, single: total=44.01GiB, used=43.28GiB
System, DUP: total=8.00MiB, used=16.00KiB
Metadata, DUP: total=2.00GiB, used=630.31MiB
GlobalReserve, single: total=91.92MiB, used=0.00B
添加/删除硬盘 btrfs device add/remove，以及转换 RAID 等级的命令 btrfs balance -mconvert=raid1 -dconvert=raid0 不再赘述。仅仅提一下：元数据和数据可以分别应用不同的 RAID 等级。
后记
Btrfs 是咱用过的最 fancy 的文件系统。Btrfs 子卷如何布局、怎么使用其实并无正确错误一说，除了扁平布局还有更多布局方案，只是一个良好的布局理念可以降低心智负担，减少操作出错概率。
用上 Btrfs 之后，zstd 压缩节省出了 25-50% 的磁盘空间，同时显著提高了机械硬盘和 U 盘等低速设备的 IO 速度。咱有一个装在 U 盘上的 Arch Linux，利用子卷功能安装了垃圾 nvidia 驱动，在开机时通过 grub 菜单选择从哪个子卷启动，解决了显卡驱动冲突的问题。子卷的在线快照和发送功能，能够让咱在线备份整个系统。ArchLiux 更新前打个快照，滚挂之后也可以轻松恢复。文件校验对于冷备份是非常重要的，不然文件坏了也不知道，Btrfs 默认开启的 checksum 校验，让咱通过 btrfs device stats 命令发现了冷备份用的硬盘出现坏道。对于咱来说，许多好处和便利的功能，都是用 btrfs 所想象不到的。
Btrfs 近年来发展得比较快，部分服务商已经开始在生产环境中使用 btrfs，win-btrfs 允许用户在 Windows 系统中使用 btrfs 中的一部分功能，但 btrfs 足够稳定了吗？没有人敢保证，只是从近年报告的案例来看，致命的 bug 应该是不存在了，更多的是某些情况下的性能问题。
这个新一代文件系统给咱带来了许多新概念：子卷、写时复制（严格来说很久以前就有了），从文件系统层面接管了压缩、RAID、用户配额等功能。未来还会加入在线文件去重、加密等新功能。对普通用户来说，结束了「文件系统里只有文件和文件夹」的时代，btrfs 的设计使用门槛可以很低，咱认为未来是很有希望下沉给普通用户使用（甚至包括 win-btrfs）。这也不禁让人好奇，还有什么基础软件设施可以带来概念性的升级，下一个文件系统革命会带来什么样的新功能，人类的文件系统将会如何发展（笑。