一代 Linux 文件系統 btrfs 簡介

一代 Linux 文件系統 btrfs 簡介

btrfs 的特性和使用

劉明，從事嵌入式軟件開發，熱愛開源軟件。喜歡學習和使用 linux，目前致力於數據庫方面的工作和研究

簡介：  Btrfs 被稱爲是下一代 Linux 文件系統。近年來 ext2/3 遇到越來越多的擴展性問題，在期待 ext4 的同時，人們發現了 btrfs，據說它採用了很多先進的文件系統設計，不僅解決了 ext2/3 的擴展性問題，還讓人們看到了下一代文件系統所具有的許多其他特性。這一切都讓人不禁心生好奇，btrfs 究竟提供了哪些特性？它是如何實現的？本文便圍繞這些問題展開探討，首先研究了 btrfs 所提供的新特性，並簡要介紹了 btrfs 內部實現這些特性的原理；然後演示了 btrfs 的常用命令。

 

Btrfs 簡介

文件系統似乎是內核中比較穩定的部分，多年來，人們一直使用 ext2/3，ext 文件系統以其卓越的穩定性成爲了事實上的 Linux 標準文件系統。近年來 ext2/3 暴露出了一些擴展性問題，於是便催生了 ext4 。在 2008 年發佈的 Linux2.6.19 內核中集成了 ext4 的 dev 版本。 2.6.28 內核發佈時，ext4 結束了開發版，開始接受用戶的使用。似乎 ext 就將成爲 Linux 文件系統的代名詞。然而當您閱讀很多有關 ext4 的文章時，會發現都不約而同地提到了 btrfs，並認爲 ext4 將是一個過渡的文件系統。 ext4 的作者 Theodore Tso 也盛讚 btrfs 並認爲 btrfs 將成爲下一代 Linux 標準文件系統。 Oracle，IBM， Intel 等廠商也對 btrfs 表現出了極大的關注，投入了資金和人力。爲什麼 btrfs 如此受人矚目呢。這便是本文首先想探討的問題。

 

Kevin Bowling[1] 有一篇介紹各種文件系統的文章，在他看來，ext2/3 等文件系統屬於“古典時期”。文件系統的新時代是 2005 年由 Sun 公司的 ZFS 開創的。 ZFS 代表” last word in file system ”，意思是此後再也不需要開發其他的文件系統了。 ZFS 的確帶來了很多嶄新的觀念，對文件系統來講是一個劃時代的作品。

 

如果您比較 btrfs 的特性，將會發現 btrfs 和 ZFS 非常類似。也許我們可以認爲 btrfs 就是 Linux 社區對 ZFS 所作出的迴應。從此往後在 Linux 中也終於有了一個可以和 ZFS 相媲美的文件系統。

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btrfs 的特性

您可以在 btrfs 的主頁上 [2] 看到 btrfs 的特性列表。我自作主張，將那張列表分成了四大部分。

首先是擴展性 (scalability) 相關的特性，btrfs 最重要的設計目標是應對大型機器對文件系統的擴展性要求。 Extent，B-Tree 和動態 inode 創建等特性保證了 btrfs 在大型機器上仍有卓越的表現，其整體性能而不會隨着系統容量的增加而降低。

其次是數據一致性 (data integrity) 相關的特性。系統面臨不可預料的硬件故障，Btrfs 採用 COW 事務技術來保證文件系統的一致性。 btrfs 還支持 checksum，避免了 silent corrupt 的出現。而傳統文件系統則無法做到這一點。

第三是和多設備管理相關的特性。 Btrfs 支持創建快照 (snapshot)，和克隆 (clone) 。 btrfs 還能夠方便的管理多個物理設備，使得傳統的卷管理軟件變得多餘。

最後是其他難以歸類的特性。這些特性都是比較先進的技術，能夠顯著提高文件系統的時間 / 空間性能，包括延遲分配，小文件的存儲優化，目錄索引等。

擴展性相關的特性

B-Tree

btrfs 文件系統中所有的 metadata 都由 BTree 管理。使用 BTree 的主要好處在於查找，插入和刪除操作都很高效。可以說 BTree 是 btrfs 的核心。

一味地誇耀 BTree 很好很高效也許並不能讓人信服，但假如稍微花費一點兒時間看看 ext2/3 中元數據管理的實現方式，便可以反襯出 BTree 的優點。

妨礙 ext2/3 擴展性的一個問題來自其目錄的組織方式。目錄是一種特殊的文件，在 ext2/3 中其內容是一張線性表格。如圖 1-1 所示 [6]：

圖 1. ext2 directory [6]

圖 1 展示了一個 ext2 目錄文件的內容，該目錄中包含四個文件。分別是 "home1"，"usr"，"oldfile" 和 "sbin" 。如果需要在該目錄中查找目錄 sbin，ext2 將遍歷前三項，直至找到 sbin 這個字符串爲止。

這種結構在文件個數有限的情況下是比較直觀的設計，但隨着目錄下文件數的增加，查找文件的時間將線性增長。 2003 年，ext3 設計者開發了目錄索引技術，解決了這個問題。目錄索引使用的數據結構就是 BTree 。如果同一目錄下的文件數超過 2K，inode 中的 i_data 域指向一個特殊的 block 。在該 block 中存儲着目錄索引 BTree 。 BTree 的查找效率高於線性表，

但爲同一個元數據設計兩種數據結構總是不太優雅。在文件系統中還有很多其他的元數據，用統一的 BTree 管理是非常簡單而優美的設計。

Btrfs 內部所有的元數據都採用 BTree 管理，擁有良好的可擴展性。 btrfs 內部不同的元數據由不同的 Tree 管理。在 superblock 中，有指針指向這些 BTree 的根。如圖 2 所示：

圖 2. btrfs btree

FS Tree 管理文件相關的元數據，如 inode，dir 等； Chunk tree 管理設備，每一個磁盤設備都在 Chunk Tree 中有一個 item ； Extent Tree 管理磁盤空間分配，btrfs 每分配一段磁盤空間，便將該磁盤空間的信息插入到 Extent tree 。查詢 Extent Tree 將得到空閒的磁盤空間信息； Tree of tree root 保存很多 BTree 的根節點。比如用戶每建立一個快照，btrfs 便會創建一個 FS Tree 。爲了管理所有的樹，btrfs 採用 Tree of tree root 來保存所有樹的根節點； checksum Tree 保存數據塊的校驗和。

基於 Extent 的文件存儲

現代很多文件系統都採用了 extent 替代 block 來管理磁盤。 Extent 就是一些連續的 block，一個 extent 由起始的 block 加上長度進行定義。

Extent 能有效地減少元數據開銷。爲了進一步理解這個問題，我們還是看看 ext2 中的反面例子。

ext2/3 以 block 爲基本單位，將磁盤劃分爲多個 block 。爲了管理磁盤空間，文件系統需要知道哪些 block 是空閒的。 Ext 使用 bitmap 來達到這個目的。 Bitmap 中的每一個 bit 對應磁盤上的一個 block，當相應 block 被分配後，bitmap 中的相應 bit 被設置爲 1 。這是很經典也很清晰的一個設計，但不幸的是當磁盤容量變大時，bitmap 自身所佔用的空間也將變大。這就導致了擴展性問題，隨着存儲設備容量的增加，bitmap 這個元數據所佔用的空間也隨之增加。而人們希望無論磁盤容量如何增加，元數據不應該隨之線形增加，這樣的設計才具有可擴展性。

下圖比較了 block 和 extent 的區別：

圖 3. 採用 extent 的 btrfs 和採用 bitmap 的 ext2/3

在 ext2/3 中，10 個 block 需要 10 個 bit 來表示；在 btrfs 中則只需要一個元數據。對於大文件，extent 表現出了更加優異的管理性能。

Extent 是 btrfs 管理磁盤空間的最小單位，由 extent tree 管理。 Btrfs 分配 data 或 metadata 都需要查詢 extent tree 以便獲得空閒空間的信息。

動態 inode 分配

爲了理解動態 inode 分配，還是需要藉助 ext2/3 。下表列舉了 ext2 文件系統的限制：

表 1. ext2 限制

	限制
最大文件數量	文件系統空間大小 V / 8192 比如 100G 大小的文件系統中，能創建的文件個數最大爲 131072

圖 4 顯示了 ext2 的磁盤佈局：

圖 4. ext2 layout

在 ext2 中 inode 區是被預先固定分配的，且大小固定，比如一個 100G 的分區中，inode table 區中只能存放 131072 個 inode，這就意味着不可能創建超過 131072 個文件，因爲每一個文件都必須有一個唯一的 inode 。

爲了解決這個問題，必須動態分配 inode 。每一個 inode 只是 BTree 中的一個節點，用戶可以無限制地任意插入新的 inode，其物理存儲位置是動態分配的。所以 btrfs 沒有對文件個數的限制。

針對 SSD 的優化支持

SSD 是固態存儲 Solid State Disk 的簡稱。在過去的幾十年中，CPU/RAM 等器件的發展始終遵循着摩爾定律，但硬盤 HDD 的讀寫速率卻始終沒有飛躍式的發展。磁盤 IO 始終是系統性能的瓶頸。

SSD 採用 flash memory 技術，內部沒有磁盤磁頭等機械裝置，讀寫速率大幅度提升。 flash memory 有一些不同於 HDD 的特性。 flash 在寫數據之前必須先執行擦除操作；其次，flash 對擦除操作的次數有一定的限制，在目前的技術水平下，對同一個數據單元最多能進行約 100 萬次擦除操作，因此，爲了延長 flash 的壽命，應該將寫操作平均到整個 flash 上。

SSD 在硬件內部的微代碼中實現了 wear leveling 等分佈寫操作的技術，因此係統無須再使用特殊的 MTD 驅動和 FTL 層。雖然 SSD 在硬件層面做了很多努力，但畢竟還是有限。文件系統針對 SSD 的特性做優化不僅能提高 SSD 的使用壽命，而且能提高讀寫性能。 Btrfs 是少數專門對 SSD 進行優化的文件系統。 btrfs 用戶可以使用 mount 參數打開對 SSD 的特殊優化處理。

Btrfs 的 COW 技術從根本上避免了對同一個物理單元的反覆寫操作。如果用戶打開了 SSD 優化選項，btrfs 將在底層的塊空間分配策略上進行優化：將多次磁盤空間分配請求聚合成一個大小爲 2M 的連續的塊。大塊連續地址的 IO 能夠讓固化在 SSD 內部的微代碼更好的進行讀寫優化，從而提高 IO 性能。

數據一致性相關的特性

COW 事務

理解 COW 事務，必須首先理解 COW 和事務這兩個術語。

什麼是 COW?

所謂 COW，即每次寫磁盤數據時，先將更新數據寫入一個新的 block，當新數據寫入成功之後，再更新相關的數據結構指向新 block 。

什麼是事務？

COW 只能保證單一數據更新的原子性。但文件系統中很多操作需要更新多個不同的元數據，比如創建文件需要修改以下這些元數據：

1. 修改 extent tree，分配一段磁盤空間
2. 創建一個新的 inode，並插入 FS Tree 中
3. 增加一個目錄項，插入到 FS Tree 中

任何一個步驟出錯，文件便不能創建成功，因此可以定義爲一個事務。

下面將演示一個 COW 事務。

A 是 FS Tree 的根節點，新的 inode 的信息將被插入節點 C 。首先，btrfs 將 inode 插入一個新分配的 block C ’中，並修改上層節點 B，使其指向新的 block C ’；修改 B 也將引發 COW，以此類推，引發一個連鎖反應，直到最頂層的 Root A 。當整個過程結束後，新節點 A ’變成了 FS Tree 的根。但此時事務並未結束，superblock 依然指向 A 。

圖 5. COW transaction 1

接下來，修改目錄項（E 節點），同樣引發這一過程，從而生成新的根節點 A ’’。

圖 6. COW transaction 2

此時，inode 和目錄項都已經寫入磁盤，可以認爲事務已經結束。 btrfs 修改 superblock，使其指向 A ’’，如下圖所示：

圖 7. COW transaction 3

COW 事務能夠保證文件系統的一致性，並且系統 Reboot 之後不需要執行 fsck 。因爲 superblock 要麼指向新的 A ’’，要麼指向 A，無論哪個都是一致的數據。

Checksum

Checksum 技術保證了數據的可靠性，避免 silent corruption 現象。由於硬件原因，從磁盤上讀出的數據會出錯。比如 block A 中存放的數據爲 0x55，但讀取出來的數據變是 0x54，因爲讀取操作並未報錯，所以這種錯誤不能被上層軟件所察覺。

解決這個問題的方法是保存數據的校驗和，在讀取數據後檢查校驗和。如果不符合，便知道數據出現了錯誤。

ext2/3 沒有校驗和，對磁盤完全信任。而不幸的是，磁盤的錯誤始終存在，不僅發生在廉價的 IDE 硬盤上，昂貴的 RAID 也存在 silent corruption 問題。而且隨着存儲網絡的發展，即使數據從磁盤讀出正確，也很難確保能夠安全地穿越網絡設備。

btrfs 在讀取數據的同時會讀取其相應的 checksum 。如果最終從磁盤讀取出來的數據和 checksum 不相同，btrfs 會首先嚐試讀取數據的鏡像備份，如果數據沒有鏡像備份，btrfs 將返回錯誤。寫入磁盤數據之前，btrfs 計算數據的 checksum 。然後將 checksum 和數據同時寫入磁盤。

Btrfs 採用單獨的 checksum Tree 來管理數據塊的校驗和，把 checksum 和 checksum 所保護的數據塊分離開，從而提供了更嚴格的保護。假如在每個數據 block 的 header 中加入一個域保存 checksum，那麼這個數據 block 就成爲一個自己保護自己的結構。這種結構下有一種錯誤無法檢測出來，比如本來文件系統打算從磁盤上讀 block A，但返回了 block B，由於 checksum 在 block 內部，因此 checksum 依舊是正確的。 btrfs 採用 checksum tree 來保存數據塊的 checksum，避免了上述問題。

Btrfs 採用 crc32 算法計算 checksum，在將來的開發中會支持其他類型的校驗算法。爲了提高效率，btrfs 將寫數據和 checksum 的工作分別用不同的內核線程並行執行。

多設備管理相關的特性

每個 Unix 管理員都曾面臨爲用戶和各種應用分配磁盤空間的任務。多數情況下，人們無法事先準確地估計一個用戶或者應用在未來究竟需要多少磁盤空間。磁盤空間被用盡的情況經常發生，此時人們不得不試圖增加文件系統空間。傳統的 ext2/3 無法應付這種需求。

很多卷管理軟件被設計出來滿足用戶對多設備管理的需求，比如 LVM 。 Btrfs 集成了卷管理軟件的功能，一方面簡化了用戶命令；另一方面提高了效率。

多設備管理

Btrfs 支持動態添加設備。用戶在系統中增加新的磁盤之後，可以使用 btrfs 的命令將該設備添加到文件系統中。

爲了靈活利用設備空間，Btrfs 將磁盤空間劃分爲多個 chunk 。每個 chunk 可以使用不同的磁盤空間分配策略。比如某些 chunk 只存放 metadata，某些 chunk 只存放數據。一些 chunk 可以配置爲 mirror，而另一些 chunk 則可以配置爲 stripe 。這爲用戶提供了非常靈活的配置可能性。

Subvolume

Subvolume 是很優雅的一個概念。即把文件系統的一部分配置爲一個完整的子文件系統，稱之爲 subvolume 。

採用 subvolume，一個大的文件系統可以被劃分爲多個子文件系統，這些子文件系統共享底層的設備空間，在需要磁盤空間時便從底層設備中分配，類似應用程 序調用 malloc() 分配內存一樣。可以稱之爲存儲池。這種模型有很多優點，比如可以充分利用 disk 的帶寬，可以簡化磁盤空間的管理等。

所謂充分利用 disk 的帶寬，指文件系統可以並行讀寫底層的多個 disk，這是因爲每個文件系統都可以訪問所有的 disk 。傳統的文件系統不能共享底層的 disk 設備，無論是物理的還是邏輯的，因此無法做到並行讀寫。

所謂簡化管理，是相對於 LVM 等卷管理軟件而言。採用存儲池模型，每個文件系統的大小都可以自動調節。而使用 LVM，如果一個文件系統的空間不夠了，該文件系統並不能自動使用其他磁盤設備上的空閒空間，而必須使用 LVM 的管理命令手動調節。

Subvolume 可以作爲根目錄掛載到任意 mount 點。 subvolume 是非常有趣的一個特性，有很多應用。

假如管理員只希望某些用戶訪問文件系統的一部分，比如希望用戶只能訪問 /var/test/ 下面的所有內容，而不能訪問 /var/ 下面其他的內容。那麼便可以將 /var/test 做成一個 subvolume 。 /var/test 這個 subvolume 便是一個完整的文件系統，可以用 mount 命令掛載。比如掛載到 /test 目錄下，給用戶訪問 /test 的權限，那麼用戶便只能訪問 /var/test 下面的內容了。

快照和克隆

快照是對文件系統某一時刻的完全備份。建立快照之後，對文件系統的修改不會影響快照中的內容。這是非常有用的一種技術。

比如數據庫備份。假如在時間點 T1，管理員決定對數據庫進行備份，那麼他必須先停止數據庫。備份文件是非常耗時的操作，假如在備份過程中某個應用程序修改了數據庫的內容，那麼將無法得 到一個一致性的備份。因此在備份過程中數據庫服務必須停止，對於某些關鍵應用這是不能允許的。

利用快照，管理員可以在時間點 T1 將數據庫停止，對系統建立一個快照。這個過程一般只需要幾秒鐘，然後就可以立即重新恢復數據庫服務。此後在任何時候，管理員都可以對快照的內容進行備份操 作，而此時用戶對數據庫的修改不會影響快照中的內容。當備份完成，管理員便可以刪除快照，釋放磁盤空間。

快照一般是隻讀的，當系統支持可寫快照，那麼這種可寫快照便被稱爲克隆。克隆技術也有很多應用。比如在一個系統中安裝好基本的軟件，然後爲不同的用戶做不同的克隆，每個用戶使用自己的克隆而不會影響其他用戶的磁盤空間。非常類似於虛擬機。

Btrfs 支持 snapshot 和 clone 。這個特性極大地增加了 btrfs 的使用範圍，用戶不需要購買和安裝昂貴並且使用複雜的卷管理軟件。下面簡要介紹一下 btrfs 實現快照的基本原理。

如前所述 Btrfs 採用 COW 事務技術，從圖 1-10 可以看到，COW 事務結束後，如果不刪除原來的節點 A,C,E，那麼 A,C,E,D,F 依然完整的表示着事務開始之前的文件系統。這就是 snapshot 實現的基本原理。

Btrfs 採用引用計數決定是否在事務 commit 之後刪除原有節點。對每一個節點，btrfs 維護一個引用計數。當該節點被別的節點引用時，該計數加一，當該節點不再被別的節點引用時，該計數減一。當引用計數歸零時，該節點被刪除。對於普通的 Tree Root, 引用計數在創建時被加一，因爲 Superblock 會引用這個 Root block 。很明顯，初始情況下這棵樹中的所有其他節點的引用計數都爲一。當 COW 事務 commit 時，superblock 被修改指向新的 Root A ’’，原來 Root block A 的引用計數被減一，變爲零，因此 A 節點被刪除。 A 節點的刪除會引發其子孫節點的引用計數也減一，圖 1-10 中的 B，C 節點的引用計數因此也變成了 0，從而被刪除。 D,E 節點在 COW 時，因爲被 A ’’所引用，計數器加一，因此計數器這時並未歸零，從而沒有被刪除。

創建 Snapshot 時，btrfs 將的 Root A 節點複製到 sA，並將 sA 的引用計數設置爲 2 。在事務 commit 的時候，sA 節點的引用計數不會歸零，從而不會被刪除，因此用戶可以繼續通過 Root sA 訪問 snapshot 中的文件。

圖 8. Snapshot

軟件 RAID

RAID 技術有很多非常吸引人的特性，比如用戶可以將多個廉價的 IDE 磁盤組合爲 RAID0 陣列，從而變成了一個大容量的磁盤； RAID1 和更高級的 RAID 配置還提供了數據冗餘保護，從而使得存儲在磁盤中的數據更加安全。

Btrfs 很好的支持了軟件 RAID，RAID 種類包括 RAID0,RAID1 和 RAID10.

Btrfs 缺省情況下對 metadata 進行 RAID1 保護。前面已經提及 btrfs 將設備空間劃分爲 chunk，一些 chunk 被配置爲 metadata，即只存儲 metadata 。對於這類 chunk，btrfs 將 chunk 分成兩個條帶，寫 metadata 的時候，會同時寫入兩個條帶內，從而實現對 metadata 的保護。

其他特性

Btrfs 主頁上羅列的其他特性不容易分類，這些特性都是現代文件系統中比較先進的技術，能夠提高文件系統的時間或空間效率。

Delay allocation

延遲分配技術能夠減少磁盤碎片。在 Linux 內核中，爲了提高效率，很多操作都會延遲。

在文件系統中，小塊空間頻繁的分配和釋放會造成碎片。延遲分配是這樣一種技術，當用戶需要磁盤空間時，先將數據保存在內存中。並將磁盤分配需求發送給磁盤空間分配器，磁盤空間分配器並不立即分配真正的磁盤空間。只是記錄下這個請求便返回。

磁盤空間分配請求可能很頻繁，所以在延遲分配的一段時間內，磁盤分配器可以收到很多的分配請求，一些請求也許可以合併，一些請求在這段延遲期 間甚至可能被取消。通過這樣的“等待”，往往能夠減少不必要的分配，也有可能將多個小的分配請求合併爲一個大的請求，從而提高 IO 效率。

Inline file

系統中往往存在大量的小文件，比如幾百個字節或者更小。如果爲其分配單獨的數據 block，便會引起內部碎片，浪費磁盤空間。 btrfs 將小文件的內容保存在元數據中，不再額外分配存放文件數據的磁盤塊。改善了內部碎片問題，也增加了文件的訪問效率。

圖 9. inline file

上圖顯示了一個 BTree 的葉子節點。葉子中有兩個 extent data item 元數據，分別用來表示文件 file1 和 file2 所使用的磁盤空間。

假設 file1 的大小僅爲 15 個字節； file2 的大小爲 1M 。如圖所示，file2 採用普通的 extent 表示方法：extent2 元數據指向一段 extent，大小爲 1M，其內容便是 file2 文件的內容。

而對於 file1， btrfs 會把其文件內容內嵌到元數據 extent1 中。如果不採用 inline file 技術。如虛線所示，extent1 指向一個最小的 extent，即一個 block，但 file1 有 15 個字節，其餘的空間便成爲了碎片空間。

採用 inline 技術，讀取 file1 時只需要讀取元數據 block，而無需先讀取 extent1 這個元數據，再讀取真正存放文件內容的 block，從而減少了磁盤 IO 。

得益於 inline file 技術，btrfs 處理小文件的效率非常高，也避免了磁盤碎片問題。

目錄索引 Directory index

當一個目錄下的文件數目巨大時，目錄索引可以顯著提高文件搜索時間。 Btrfs 本身採用 BTree 存儲目錄項，所以在給定目錄下搜索文件的效率是非常高的。

然而，btrfs 使用 BTree 管理目錄項的方式無法同時滿足 readdir 的需求。 readdir 是 POSIX 標準 API，它要求返回指定目錄下的所有文件，並且特別的，這些文件要按照 inode number 排序。而 btrfs 目錄項插入 BTree 時的 Key 並不是 Inode number，而是根據文件名計算的一個 hash 值。這種方式在查找一個特定文件時非常高效，但卻不適於 readdir 。爲此，btrfs 在每次創建新的文件時，除了插入以 hash 值爲 Key 的目錄項外，還同時插入另外一種目錄項索引，該目錄項索引的 KEY 以 sequence number 作爲 BTree 的鍵值。這個 sequence number 在每次創建新文件時線性增加。因爲 Inode number 也是每次創建新文件時增加的，所以 sequence number 和 inode number 的順序相同。以這種 sequence number 作爲 KEY 在 BTree 中查找便可以方便的得到一個以 inode number 排序的文件列表。

另外以 sequence number 排序的文件往往在磁盤上的位置也是相鄰的，所以以 sequence number 爲序訪問大量文件會獲得更好的 IO 效率。

壓縮

大家都曾使用過 zip，winrar 等壓縮軟件，將一個大文件進行壓縮可以有效節約磁盤空間。 Btrfs 內置了壓縮功能。

通常人們認爲將數據寫入磁盤之前進行壓縮會佔用很多的 CPU 計算時間，必然降低文件系統的讀寫效率。但隨着硬件技術的發展，CPU 處理時間和磁盤 IO 時間的差距不斷加大。在某些情況下，花費一定的 CPU 時間和一些內存，但卻能大大節約磁盤 IO 的數量，這反而能夠增加整體的效率。

比如一個文件不經過壓縮的情況下需要 100 次磁盤 IO 。但花費少量 CPU 時間進行壓縮後，只需要 10 次磁盤 IO 就可以將壓縮後的文件寫入磁盤。在這種情況下，IO 效率反而提高了。當然，這取決於壓縮率。目前 btrfs 採用 zlib 提供的 DEFALTE/INFLATE 算法進行壓縮和解壓。在將來，btrfs 應該可以支持更多的壓縮算法，滿足不同用戶的不同需求。

目前 btrfs 的壓縮特性還存在一些不足，當壓縮使能後，整個文件系統下的所有文件都將被壓縮，但用戶可能需要更細粒度的控制，比如針對不同的目錄採用不同的壓縮算法，或者禁止壓縮。我相信，btrfs 開發團隊將在今後的版本中解決這個問題。

對於某些類型的文件，比如 jpeg 文件，已經無法再進行壓縮。嘗試對其壓縮將純粹浪費 CPU 。爲此，當對某文件的若干個 block 壓縮後發現壓縮率不佳，btrfs 將不會再對文件的其餘部分進行壓縮操作。這個特性在某種程度上提高了文件系統的 IO 效率。

預分配

很多應用程序有預先分配磁盤空間的需要。他們可以通過 posix_fallocate 接口告訴文件系統在磁盤上預留一部分空間，但暫時並不寫入數據。如果底層文件系統不支持 fallocate，那麼應用程序只有使用 write 預先寫一些無用信息以便爲自己預留足夠的磁盤空間。

由文件系統來支持預留空間更加有效，而且能夠減少磁盤碎片，因爲所有的空間都是一次分配，因而更有可能使用連續的空間。 Btrfs 支持 posix_fallocate 。

總結

至此，我們對 btrfs 的很多特性進行了較爲詳細的探討，但 btrfs 能提供的特性卻並不止這些。 btrfs 正處於試驗開發階段，還將有更多的特性。

Btrfs 也有一個重要的缺點，當 BTree 中某個節點出現錯誤時，文件系統將失去該節點之下的所有的文件信息。而 ext2/3 卻避免了這種被稱爲”錯誤擴散”的問題。

但無論怎樣，希望您和我一樣，開始認同 btrfs 將是 Linux 未來最有希望的文件系統。

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BTRFS 使用簡介

瞭解了 btrfs 的特性，想必您一定想親身體驗一下 btrfs 的使用。本章將簡要介紹如何使用 btrfs 。

創建文件系統

mkfs.btrfs 命令建立一個 btrfs 格式的文件系統。可以用如下命令在設備 sda5 上建立一個 btrfs 文件系統，並將其掛載到 /btrfsdisk 目錄下：

#mkfs.btrfs /dev/sda5 

 #mkdir /btrfsdisk 

 #mount – t btrfs /dev/sda5 /btrfsdisk

這樣一個 Btrfs 就在設備 sda5 上建立好了。值得一提的是在這種缺省情況下，即使只有一個設備，Btrfs 也會對 metadata 進行冗餘保護。如果有多個設備，那麼您可以在創建文件系統的時候進行 RAID 設置。詳細信息請參見後續的介紹。

這裏介紹其他幾個 mkfs.btrfs 的參數。

Nodesize 和 leafsize 用來設定 btrfs 內部 BTree 節點的大小，缺省爲一個 page 大小。但用戶也可以使用更大的節點，以便增加 fanout，減小樹的高度，當然這隻適合非常大的文件系統。

Alloc-start 參數用來指定文件系統在磁盤設備上的起始地址。這使得用戶可以方便的預留磁盤前面的一些特殊空間。

Byte-count 參數設定文件系統的大小，用戶可以只使用設備的一部分空間，當空間不足時再增加文件系統大小。

修改文件系統的大小

當文件系統建立好之後，您可以修改文件系統的大小。 /dev/sda5 掛載到了 /btrfsdisk 下，大小爲 800M 。假如您希望只使用其中的 500M，則需要減小當前文件系統的大小，這可以通過如下命令實現：

#df 

 Filesystem   1K-blocks     Used      Available   Use%   Mounted on 

 /dev/sda1    101086        19000       76867         20%     /boot 

 /dev/sda5    811248         32       811216         1%     /btrfsdisk 

 #btrfsctl – r -300M /btrfsdisk 

 #df 

 Filesystem  1K-blocks      Used      Available   Use%   Mounted on 

 /dev/sda1    101086        19000       76867         20%     /boot 

 /dev/sda5    504148         32       504106         1%     /btrfsdisk

同樣的，您可以使用 btrfsctl 命令增加文件系統的大小。

創建 Snapshot

下面的例子中，創建快照 snap1 時系統存在 2 個文件。創建快照之後，對 test1 的內容進行修改。再回到 snap1，打開 test1 文件，可以看到 test1 的內容依舊是之前的內容。

#ls /btrfsdisk 

 test1 test2 

 #vi test1 

 This is a test 

 #btrfsctl – s snap1 /btrfsdisk 

 #vi test1 

 Test1 is modified 

 #cd /btrfsdisk/snap1 

 #cat test1 

 This is a test

可以從上面的例子看到，快照 snap1 保存的內容不會被後續的寫操作所改變。

創建 subvolume

使用 btrfs 命令，用戶可以方便的建立 subvolume 。假設 /btrfsdisk 已經掛載到了 btrfs 文件系統，則用戶可以在這個文件系統內創建新的 subvolume 。比如建立一個 /sub1 的 subvolume，並將 sub1 掛載到 /mnt/test 下：

#mkdir /mnt/test 

 #btrfsctl – S sub1 /btrfsdisk 

 #mount – t btrfs – o subvol=sub1 /dev/sda5 /mnt/test

Subvolme 可以方便管理員在文件系統上創建不同用途的子文件系統，並對其進行一些特殊的配置，比如有些目錄下的文件關注節約磁盤空間，因此需要打開壓縮，或者配置不 同的 RAID 策略等。目前 btrfs 尚處於開發階段，創建的 subvolme 和 snapshot 還無法刪除。此外針對 subvolume 的磁盤 quota 功能也未能實現。但隨着 btrfs 的不斷成熟，這些功能必然將會進一步完善。

創建 RAID

mkfs 的時候，可以指定多個設備，並配置 RAID 。下面的命令演示瞭如何使用 mkfs.btrfs 配置 RAID1 。 Sda6 和 sda7 可以配置爲 RAID1，即 mirror 。用戶可以選擇將數據配置爲 RAID1，也可以選擇將元數據配置爲 RAID1 。

將數據配置爲 RAID1，可以使用 mkfs.btrfs 的 -d 參數。如下所示：

#mkfs.btrfs – d raid1 /dev/sda6 /dev/sda7 

 #mount – t btrfs /dev/sda6 /btrfsdisk

添加新設備

當設備的空間快被使用完的時候，用戶可以使用 btrfs-vol 命令爲文件系統添加新的磁盤設備，從而增加存儲空間。下面的命令向 /btrfsdisk 文件系統增加一個設備 /sda8

#btrfs-vol – a /dev/sda8 /btrfsdisk

SSD 支持

用戶可以使用 mount 參數打開 btrfs 針對 SSD 的優化。命令如下：

#mount – t btrfs – o SSD /dev/sda5 /btrfsdisk

開啓壓縮功能

用戶可以使用 mount 參數打開壓縮功能。命令如下：

#mount – t btrfs – o compress /dev/sda5 /btrfsdisk

同步文件系統

爲了提高效率，btrfs 的 IO 操作由一些內核線程異步處理。這使得用戶對文件的操作並不會立即反應到磁盤上。您可以做一個實驗，在 btrfs 上創建一個文件後，稍等 5 到 10 秒將系統電源切斷，再次重啓後，新建的文件並沒有出現。

對於多數應用這並不是問題，但有些時候用戶希望 IO 操作立即執行，此時就需要對文件系統進行同步。下面的 btrfs 命令用來同步文件系統：

#btrfsctl – c /btrfsdisk

Debug 功能

Btrfs 提供了一定的 debug 功能，對於想了解 Btrfs 內部實現原理的讀者，debug 將是您最喜歡的工具。這裏簡單介紹一下 debug 功能的命令使用。

下面的命令將設備 sda5 上的 btrfs 文件系統中的元數據打印到屏幕上。

#btrfs-debug-tree /dev/sda5

通過對打印信息的分析，您將能瞭解 btrfs 內部各個 BTree 的變化情況，從而進一步理解每一個文件系統功能的內部實現細節。

比如您可以在創建一個文件之前將 BTree 的內容打印出來，創建文件後再次打印。通過比較兩次的不同來了解 btrfs 創建一個文件需要修改哪些元數據。進而理解 btrfs 內部的工作原理。

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結束語

我想，在未來的日子裏，EXT 等傳統文件系統肯定不會消失。古典文件系統成熟，穩定，經受了歷史的考驗，必然將在很長一段時間內被繼續廣泛使用。古典文件系統和新一代文件系統同時並存 是非常合理的事情。正如我們在被陳亦迅的歌聲觸動和感傷之後，還可以在莫扎特的奏鳴曲中得到慰藉和平靜。

本人水平有限，對文件系統的瞭解也並不深入，因此文中必然有很多錯誤的地方，希望能得到大家的指正。

參考資料

• On file system 是一篇非常不錯的關於 Linux 文件系統的文章。
  
• btrfs wiki 也是不錯的參考資料。
  
• 在 developerWorks Linux 專區 尋找爲 Linux 開發人員（包括 Linux 新手入門 ）準備的更多參考資料，查閱我們 最受歡迎的文章和教程 。
  
• 在 developerWorks 上查閱所有 Linux 技巧 和 Linux 教程 。