BTRFS 介绍

官网链接

{B|Bug}-TRee File System 是一个支持{写时复制|Copy on Write}、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 - 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}，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。 - 可以避免对统一区域的反复写入，对闪存友好。 - 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，即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

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

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

  • 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。
    • 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 /。
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。
  • @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） - 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。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 /
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。

以下为手动操作。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

创建并启用交换文件（8 GB）： 

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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 \(\max(M/2,\sqrt{M})+M\cdot H\) 其中 \(M\) 为物理内存大小（GB），\(H\) 表示是否使用休眠功能。

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

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 - /dev/nvme0n1p2 为交换文件所在分区 - image_size 指定生成的镜像大小，0 表示尽可能压缩

#    Path                     Mode UID  GID  Age Argument
w    /sys/power/resume_offset -    -    -    -   ${offset}
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），示例：

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

参考资料

Arch Linux+btrfs 配置简明指南

硬盘错误模拟测试 - 知乎

Snapper - ArchWiki

Suspend and hibernate - ArchWiki

ArchLinux 安装及 Snapper 和 btrfs-grub 的使用

  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↩︎