btrfs文件系统从原理到实践 [1]

作为Linux用户，我经常羡慕macOS系统的Time Machine功能。Time Machine就像是系统的最后一道防线，无论系统发生什么变化，它都能保护我们的数据安全，避免因误操作导致系统无法启动的困境。那么，Linux系统下是否也有类似的解决方案呢？基于这样的需求，我发现了Btrfs文件系统。

在深入了解Btrfs前，强烈建议你学习一下git的原理。二者有着很多相似之处。在后面我将大量使用通俗易懂的方式帮你掌握btrfs。

Btrfs基本文件组织

在Btrfs中，文件系统的组织结构与Git非常相似：普通文件类似于Git中的blob对象，而目录则对应Git中的tree对象。以Linux的根目录为例，它是一个tree对象，其中包含了文件（blob对象）以及子目录（子tree对象）。

在Btrfs中，这些Tree对象被称为子卷（Subvolume）。子卷是Btrfs的一个核心概念，它本质上是一个特殊的目录，能够捕获并保存特定时刻的文件系统状态。这与快照（Snapshot）的概念密切相关。

创建一个空子卷

# 创建一个空子卷：btrfs subvolume create <path># 例如，要在/mnt/btrfs下创建一个名为my_subvol的空子卷：sudo btrfs subvolume create /mnt/btrfs/my_subvol

当Linux系统安装在Btrfs分区上时，系统默认会将根目录（/）设置为名为"@"的子卷。这是许多Linux发行版的标准做法，它为系统提供了更好的快照和回滚能力。

Btrfs子卷具有双重特性：它既可以作为普通目录在文件系统中进行管理，又可以像独立的分区一样被挂载到Linux系统的任意挂载点。这种灵活的特性为实现系统级别的快照和回滚功能奠定了重要基础。

快照

类似于Git的分支（branch）概念，Btrfs也实现了一种称为快照（Snapshot）的机制来保存文件系统的历史状态。在Btrfs中创建快照时，系统只会复制tree对象的结构，而不会复制实际的文件内容。这种设计与Git的存储机制非常相似：不同的快照之间会共享相同的文件数据（blob对象），每个快照只需要存储发生变化的部分。这种写时复制（Copy-on-Write）的策略使得快照操作既快速又节省存储空间。

在Btrfs的实现中，子卷和快照共享相同的底层数据结构。它们的主要区别在于创建方式：子卷可以作为独立的空白容器创建，而快照则必须基于现有的子卷创建，并会继承该子卷的全部数据状态。

btrfs创建快照的命令

# 创建一个名为snap的快照btrfs subvolume snapshot -r /path/to/subvolume /path/to/snap

在拍摄快照的时候 -r参数代表创建一个只读快照。在这种情况下，快照只允许读取数据，不能进行写入操作。

快照的恢复

虽然Btrfs没有提供快照的直接恢复机制，但由于快照本质上是一个只读的子卷，我们可以直接访问快照中的文件内容。这种特性使得快照特别适合于选择性文件恢复的场景，用户可以方便地浏览快照中的文件，并选择所需的文件进行恢复。

首先查看系统中的快照

# 列出指定Btrfs文件系统中的所有子卷和快照# 参数为Btrfs文件系统的挂载点或者子卷路径btrfs subvolume list /

ID 256 gen 169953 top level 5 path var/lib/portablesID 257 gen 169953 top level 5 path var/lib/machinesID 1529 gen 192141 top level 5 path @ID 1530 gen 192141 top level 5 path @homeID 1532 gen 191492 top level 5 path timeshift-btrfs/snapshots/2024-12-26_10-13-46/@ID 1533 gen 171944 top level 5 path timeshift-btrfs/snapshots/2024-12-26_10-13-46/@homeID 1534 gen 171908 top level 5 path timeshift-btrfs/snapshots/2024-12-26_10-41-36/@ID 1535 gen 171944 top level 5 path timeshift-btrfs/snapshots/2024-12-26_10-41-36/@homeID 1544 gen 191492 top level 5 path timeshift-btrfs/snapshots/2024-12-27_13-39-08/@ID 1545 gen 191492 top level 5 path timeshift-btrfs/snapshots/2024-12-31_14-51-04/@ID 1588 gen 189590 top level 5 path timeshift-btrfs/snapshots/2025-01-02_08-39-31/@

输出结果中的path字段显示了每个子卷的路径。通常情况下，我们可以直接通过这个路径访问快照的内容。但需要注意的是，如果你的系统本身就安装在Btrfs文件系统上（根目录挂载在@子卷），那么这些快照可能无法通过常规路径直接访问，因为它们位于Btrfs文件系统的根层级。

手动挂载

linux的mount在挂载Btrfs的时候，同时支持挂载的子卷或快照。这样我们同样实现了查看快照内容的目的。

# 挂载快照# 手动挂载快照以访问sudo mount -o subvol=快照路径 /dev/硬盘 /mnt/临时目录

虽然单个文件的恢复需要一些额外步骤，但对于整个系统的恢复，Btrfs提供了更优雅的解决方案：GRUB引导加载器支持直接从Btrfs的子卷或快照启动系统。这意味着我们可以在启动时选择任意一个系统快照作为根文件系统，从而实现完整的系统状态回滚。

从GRUB配置中可以看到，通过在rootflags参数中指定subvol选项，我们可以轻松地选择要启动的Btrfs子卷或快照。这种优雅的设计使得系统回滚变得异常简单。

insmod ext2if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; thensearch --no-floppy --fs-uuid --set=root 35669a62-1315-4b0b-be17-92f89eebffc2elsesearch --no-floppy --fs-uuid --set=root 35669a62-1315-4b0b-be17-92f89eebffc2fiecho 'Loading Snapshot: 2024-10-28 16:48:06 .snapshots/1/snapshot'echo 'Loading Kernel: vmlinuz-6.8.0-51-generic ...'linux "/vmlinuz-6.8.0-51-generic" root=UUID=0841c522-e696-4499-8f39-3de52d1a4120 rootflags=defaults,subvol=".snapshots/1/snapshot"echo 'Loading Initramfs: initrd.img-6.8.0-51-generic ...'initrd "/initrd.img-6.8.0-51-generic"

在上面的GRUB启动linux的参数中，rootflags中的subvol就是启动linux目录的btrfs子卷或快照。是不是很简单。

Btrfs快照备份与恢复

Btrfs快照备份

Btrfs同样也支持把快照同步到外部存储设备上。命令也很简单

sudo btrfs send /path/to/snapshot | pv > 备份文件路径

因为btrfs send 发送快照的时候，默认使用输出，并且没有任何进度提示。使用pv命令可以实现进度提示，但是需要安装pv工具。

这时，你可能发现，既然压缩一下快照岂不美哉。我们可以在pv后面直接使用gzip或者tar等命令实现快照的压缩。

sudo btrfs send /path/to/snapshot | pv | gzip > 备份文件路径.gz

btrfs send命令需要快照为可读才能被发送到外部设备。如果快照不是可读，你需要下面的命令去设置快照为可读属性

sudo btrfs prop set /path/to/snapshot ro false

ro为true代表把快照设置为可读，false代表把快照设置为可读可写。

Btrfs 快照恢复

Btrfs同样也支持从外部存储设备恢复快照。命令也很简单

pv 备份文件路径 | btrfs receive /path/to/subvolume

嗯，聪明的你应该想到了，可以配合btrfs快照备份功能与Grub的启动参数，实现间接的系统迁移。

Btrfs的错误检查与恢复

与传统文件系统相比，Btrfs提供了更强大的错误检查和修复功能。它不仅能够检测文件系统的错误，还能在某些情况下自动修复这些问题。

文件系统检查

Btrfs提供了专门的工具用于检查文件系统的完整性：

# 只读模式检查文件系统sudo btrfs check /dev/sdX# 使用--repair选项进行修复（需要谨慎使用）sudo btrfs check --repair /dev/sdX

需要注意的是，在执行修复操作之前，强烈建议先创建一个完整的数据备份。--repair选项虽然强大，但在某些情况下可能会导致数据丢失。

文件系统清理

Btrfs还提供了清理（scrub）功能，用于主动检测和修复数据错误：

# 启动清理操作sudo btrfs scrub start /mount/point# 查看清理状态sudo btrfs scrub status /mount/point

清理操作会读取文件系统中的所有数据，验证校验和，并在可能的情况下自动修复发现的错误。这是一个后台进程，不会影响系统的正常使用，但可能会占用一些磁盘I/O带宽。

常见问题修复

1. 空间不足问题

# 删除旧快照和不需要的数据sudo btrfs subvolume delete /path/to/old_snapshot# 平衡文件系统sudo btrfs balance start /mount/point

Btrfs平衡操作详解

Btrfs平衡操作（Balance）是系统维护的一个重要方面。它通过重新分配数据块来优化存储空间的使用，确保文件系统保持健康和高效。

为什么需要平衡？

随着文件系统的使用，数据块的分布可能变得不均匀。这种情况可能导致：

• 某些存储区域过度使用而其他区域闲置

• 可用空间虽然足够，但过于分散而无法分配大文件

• 元数据和数据的分布不合理，影响性能

平衡操作的作用

通过执行平衡操作，Btrfs会：

• 重新组织数据块的分布

• 回收被标记为已删除的空间

• 优化元数据的存储位置

• 提高整体存储效率

执行平衡操作

# 平衡文件系统sudo btrfs balance start /mount/point

注意事项

• 在执行平衡操作之前，建议先备份重要数据

• 平衡操作可能需要较长时间，具体取决于文件系统的大小和复杂度

• 在平衡操作期间，系统可能会占用更多的磁盘I/O带宽

2. 元数据备份恢复

# 重新扫描设备以查找备份的元数据sudo btrfs rescue super-recover /dev/sdX

3. 碎片整理

# 对指定目录进行碎片整理sudo btrfs filesystem defragment -r /path/to/directory

最佳实践

1. 定期执行清理操作以及早发现潜在问题

2. 保持充足的可用空间（建议至少保留10%的空闲空间）

3. 定期创建数据备份，特别是在执行修复操作之前

4. 监控系统日志以及时发现文件系统警告或错误

通过这些工具和实践，我们可以有效地维护Btrfs文件系统的健康，及时发现并解决潜在的问题。

下一节，我们将重点讲一下，如何使用Btrfs去实现linux系统的备份与恢复。