BTRFS 介绍

B-TRee File System 是一个支持子卷快照、数据校验、透明压缩等多种高级功能的现代写时复制(Copy on Write)文件系统。

  • 写时复制
    • 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。1
    • 支持快速复制(reflink)，简单来说就是副本之间尽量共用数据块，通过 CoW 机制只需额外存储改动部分。
    • 可以通过 chattr +C 命令对特定文件禁用。
  • 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(fork)”更加贴切。
  • CRC 数据校验可以发现数据损坏，但修复依靠外部备份或 RAID。
  • 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。
    • 其实当写入稀疏时是负优化，可以通过 chattr +m 命令对特定文件禁用。
  • 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。2
    • 原理可以理解为一种懒惰思想，即尽可能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！

BTRFS 数据损坏测试3

安装软件包 btrfs-progs。

用文件虚拟出一块硬盘。之后你可以手动编辑该文件模拟数据损坏，看看会发生什么。

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# 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

安装 BTRFS

参考资料：

笔者的分区方案（终端推荐 cfdisk 工具）：

  • /dev/nvme0n1p1 分配 260MB，挂载于 /efi。（引导模式为 x64 UEFI）
  • /dev/nvme0n1p2 分配剩余空间，格式化为 btrfs 文件系统。
  • 无交换分区。
  • 此方案也适用于双系统，注意设备标签可能不同。

设计子卷布局

  • 前置知识：btrfs 的子卷是按照目录结构组织的，可以用 mv 命令移动。
  • 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。
    • 快照是不会递归拍摄的，嵌套子卷拍摄后显示为空目录，恢复时需要进一步处理。
  • 文件系统的根子卷比较特殊，无法从快照恢复（和不能把目录移动/复制到祖先同理），因此选择创建 @ 子卷表示根目录。
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
  • @ 子卷存放操作系统与安装的软件，@snapshots 存放系统快照（snapper 会自己生成一个子卷）。
  • @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 存放容器，@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

格式化并分卷：

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# mkfs.fat -F 32 /dev/nvme0n1p1 # 如果你要重建 EFI 分区的话
mkfs.btrfs /dev/nvme0n1p2
mount -t btrfs /dev/nvme0n1p2 /mnt
btrfs subvolume create /mnt/@{,snapshots,swap,home,root,var_{cache,log,tmp},docker,opt}
umount /mnt

挂载：

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

关于挂载选项的说明：

  • -o 选项表示指定挂载选项，后面紧跟的参数是个字符串，所以注意不要输入空格（或者用双引号括起来）
  • subvol 指定挂载的子卷。（或 subvolid 通过 ID 指定，但是 ID 快照后会改变，不推荐）
  • 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，会导致相应的 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。没试过。
  • 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。

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pacstrap -K /mnt btrfs-progs

Snapper 快照管理

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sudo pacman -S snapper snap-pac

snap-pac 是一个 pacman hook，用来在每次更改软件包前后自动创建快照。

然后创建快照配置。

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sudo snapper -c root create-config /
# snapper 会自动创建被快照子卷对应目录下的 .snapshots 子卷。
# 因为破坏了扁平布局，改成将之前创建的 @snapshots 子卷挂载在这里。（其实算精神洁癖）
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

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

开启 Snapper 自动快照和自动清理的后台服务：

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

从快照恢复

推荐安装 grub-btrfs 包，这个包可以在 grub 界面里列出快照并启动。

如果系统崩了启动不了，就用启动盘；如果没崩，重启后生效。

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# 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/@
# 事后检查无误可删除损坏的子卷
btrfs subvolume delete /mnt/@broken

交换文件与休眠4

创建并启用交换文件： 

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

据说推荐的交换空间大小大概是 其中 为物理内存大小（GB）， 表示是否使用休眠功能。

编辑 fstab，追加：

/etc/fstab
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/swap/swapfile        none        swap        defaults      0 0

以在开机时自动启用交换文件。

配置休眠

运行 

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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:

  • ${offset} 为上述命令的输出
  • ${swap_file_partition} 为交换文件所在分区，在我们的例子中是 /dev/nvme0n1p2
  • ${image_size} 指定生成的镜像大小，0 表示尽可能压缩
/etc/tmpfiles.d/hibernation.conf
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#    Path                     Mode UID  GID  Age Argument
w    /sys/power/resume_offset -    -    -    -   ${offset}
w    /sys/power/image_size    -    -    -    -   ${image_size}
w    /sys/power/resume        -    -    -    -   ${swap_file_partition}

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

/etc/mkinitcpio.conf
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HOOKS=(base udev autodetect microcode modconf kms keyboard keymap consolefont block filesystems resume fsck)

然后

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sudo mkinitcpio -P

其他

GUI 快照管理软件： 

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sudo pacman -S btrfs-assistant

  1. copy on write logging↩︎

  2. 幻灯片 和 论文↩︎

  3. Btrfs使用简谈与硬盘错误模拟测试——知乎↩︎

  4. Suspend and hibernate - ArchWiki↩︎