BTRFS 入坑记

被学长传教了……

关于 BTRFS

BBug-Tree File System 是一个支持写时复制(CoW)、子卷快照、数据校验、透明压缩等多种高级功能的现代文件系统。

• 写时复制（Copy on Write, CoW）
  • 修改不是原地覆盖，而是先写入到空白区域，再修改指针，可保证数据一致性。
  • 支持快速复制（reflink），因为 CoW 机制所以后续只需要存储对副本的改动。
  • 避免对统一区域的反复写入，对 SSD 友好。
• 快照和子卷地位相当，也可以修改和创建快照。有人认为将其称作“分支”更加贴切。
• 数据校验可以发现 silent corruption 等数据损坏。
  • 发现损坏时，会尝试用通过校验的备份修复，失败则报告 IO 错误。默认配置中，数据只存一份，元数据复制两份^[1]。
  • 重要数据需要在其他设备上备份^[2]。
• 透明压缩：
  • 通过牺牲一定的 CPU 时间，减少实际写入硬盘的数据，提高存储容量与 IO 速度。
  • 文件系统内部行为，用户无感。
• 顾名思义，该文件系统使用数据结构 B 树维护元数据。
  • 为了支持其先进的快照功能，实际使用的是一种能够高效复制的改进版。^[3]
  • 原理可以理解为一种懒惰思想，因而会共用各副本的相同部分。
  • 这就是有垃圾回收的可持久化多叉平衡树，太裤辣！

试用 btrfs（雾）

安装软件包 btrfs-progs。

用文件虚拟出一块硬盘，用来测试 btrfs 在各种情况下的表现^[4]。

# 创建一个镜像
sudo dd if=/dev/zero of=test.img bs=1M count=128
# 格式化为btrfs格式
sudo mkfs.btrfs test.img
# 挂载
sudo mount -o loop test.img /mnt

为新系统安装 BTRFS

记录了笔者为全新安装的 Arch Linux 配置 btrfs 文件系统的过程，全过程戳我。

参考资料^[5]

笔者的分区方案：

• /dev/nvme0n1p1 分配 260MB，挂载于 /efi。
• /dev/nvme0n1p2 分配剩余空间，格式化为 btrfs 文件系统。
• 使用交换文件而非交换分区。

mkfs.btrfs /dev/nvme0n1p2
mount -t btrfs /dev/nvme0n1p2 /mnt

设计子卷布局

• 个人认为，尽量不要在需要拍摄快照的子卷里面放子卷，用挂载或软链接代替。
  • btrfs 中的子卷使用目录结构组织，表现像文件夹。
  • 虽然看上去子卷可以嵌套，但其实本质上并不是，快照时并不会和嵌套的子卷一起快照。
    例如可以建立 @A/@B 这样的子卷结构。然后给 @A 拍摄快照 @a，会发现 @a/@B 并不是子卷，而是无法写入的普通目录。
    回滚时需要处理这些嵌套的子卷，比较麻烦。
• 文件系统的根子卷比较特殊，无法从快照恢复，因此选择将 @ 子卷挂载于 /。
• 最终决定采用所谓的“扁平布局”，如下：

子卷	挂载点
@	/
@snapshots	/.snapshots
@swap	/swap
@home	/home
@root	/root
@var_log	/var/log
@var_cache	/var/cache
@var_tmp	/var/tmp
@docker	/var/lib/docker
@opt	/opt

说明：

• @ 子卷存放操作系统与安装的软件，@snapshots 存放系统快照。
• @swap 存放交换文件。包含交换文件的子卷无法快照，故单独分卷。
• /home/用户名 和 /root 是普通用户和 root 用户的主目录，分卷可在快照回滚时保留其中的用户数据。
• /var/log 存放日志，不应该快照。
• /var/cache 和 /var/tmp 存储缓存和临时文件，不需要快照。
• @docker 存放 docker 数据，@opt 存放自包含软件，我理解这些东西独立于系统存在，不需要一起快照。

分卷并挂载

分区：

btrfs subvolume create /mnt/@{,snapshots,swap,home,root,var_{cache,log,tmp},docker,opt}
umount /mnt

挂载：

mount -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@          /dev/nvme0n1p2 /mnt
mount --mkdir /dev/nvme0n1p1 /mnt/boot
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@opt       /dev/nvme0n1p2 /mnt/opt
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@home      /dev/nvme0n1p2 /mnt/home
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@root      /dev/nvme0n1p2 /mnt/root
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@swap      /dev/nvme0n1p2 /mnt/swap
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@var_log   /dev/nvme0n1p2 /mnt/var/log
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@var_tmp   /dev/nvme0n1p2 /mnt/var/tmp
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@var_cache /dev/nvme0n1p2 /mnt/var/cache
mount --mkdir -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@docker    /dev/nvme0n1p2 /mnt/var/lib/docker

• -o 选项表示指定挂载选项，后面的部分不能有空格。
• subvol= 指定挂载的子卷。
• noatime 禁用文件访问时间更新，可以减少写入量，对 SSD 友好。
  • 在一个有快照的子卷内访问文件会更糟，会导致元数据 B 树复制（这原本是懒惰的）。
  • chattr +A 可以对特定的文件和目录单独禁用访问时间更新。
• nodiratime 被 noatime 蕴含，没必要。
• compress=zstd:3 指定压缩算法为 zstd，并指定压缩级别为 $3$。
  • zstd 压缩又快又好。
  • 默认级别是 $3$，没测试过哪个级别最快。
• ssd 会自动检测并优化，不需要加该选项。
• discard=async 自 kernel 6.2 起已经是默认选项。

安装必要软件包

需要安装 btrfs-progs 包，不然装 linux 内核时会报错。

pacstrap -K /mnt btrfs-progs

安装 Snapper^[6] 并配置

sudo pacman -S snapper

然后创建快照配置。

sudo snapper -c root create-config /
sudo btrfs subvolume delete /.snapshots
sudo mount -o noatime,compress=zstd:3,subvol=@snapshots /dev/nvme0n1p2 /.snapshots --mkdir

修改 /lib/systemd/system/snapper-timeline.timer，设置创建快照频率

[Timer]
OnCalendar=00/6:00  # 每6小时创建一次快照

修改配置文件 /etc/snapper/configs/root，设置保留的快照数量

TIMELINE_MIN_AGE="3600"
TIMELINE_LIMIT_HOURLY="3"  # 保留3个小时快照
TIMELINE_LIMIT_DAILY="7"  # 保留7个每日快照
TIMELINE_LIMIT_WEEKLY="0"
TIMELINE_LIMIT_MONTHLY="0"
TIMELINE_LIMIT_YEARLY="0"

开启Snapper自动快照和自动清理

sudo systemctl enable --now snapper-{timeline,cleanup}.timer

从快照恢复

如果系统崩了启动不了，就用启动盘。

如果没崩，重启后生效。

# 挂载 btrfs 分区
mount /dev/nvme0n1p2 /mnt
cd /mnt
# 把损坏的 `@` 子卷挪到别处
mv @ @broken
# 列出所有快照及其创建时间
grep -r '<date>' /mnt/@snapshots/*/info.xml
# 给快照创建一个可读写副本作为新的 `@` 子卷
btrfs subvolume snapshot /mnt/@snapshots/编号/snapshot /mnt/@

交换文件与休眠

创建并启用交换文件：

btrfs filesystem mkswapfile --size 8G /swap/swapfile
swapon /swap/swapfile

推荐的交换空间大小大概是 $max(M/2,\sqrt{M})+M\cdot H$ 其中 $M$ 为物理内存大小（单位 GB），$H$ 表示是否使用休眠功能。

虽然新电脑 32G 内存，但我感觉旧电脑 8GB 不打游戏够用，赌一手

编辑 fstab，追加：

/swap/swapfile        none        swap        defaults      0 0

以在开机时自动启用交换文件。

配置休眠

参考 Arch Wiki^[7]。

运行

btrfs inspect-internal map-swapfile -r /swap/swapfile

然后创建 /etc/tmpfiles.d/hibernation.conf，写入如下内容，其中偏移量为上述命令的输出：

#    Path                   Mode UID  GID  Age Argument
w    /sys/power/resume_offset  -    -    -    -   偏移量
w    /sys/power/image_size  -    -    -    -   0
w    /sys/power/resume  -    -    -    -   /dev/nvme0n1p2

编辑 /etc/mkinitcpio.conf，修改 HOOKS=() 一行，添加 resume（必须在 udev 后面）（以下仅为示例）：

HOOKS=(base udev autodetect microcode modconf kms keyboard keymap consolefont block filesystems resume fsck)

---

1. 见格式化选项 -d 和 -m 部分。 ↩︎

2. 文件备份的 321 原则，本地一份，云端一份，算上原件共三份。 ↩︎

3. 幻灯片和论文 ↩︎

4. 硬盘错误模拟测试 - 知乎 ↩︎

5. Arch Linux+btrfs配置简明指南 ↩︎

6. Snapper - ArchWiki ↩︎

7. Suspend and hibernate - ArchWiki ↩︎