用好了下一代文件系統 Btrfs 這些新特性，從此數據安全樂無憂！

2019 年 10 月 31 日
筆記

對於大部分文件系統來說，在磁碟上創建好文件系統，然後再掛載到系統中去就完事了。但對於 Btrfs 來說，除了在格式化和掛載的時候指定不同的參數外，還支援很多其他的功能。比如：管理多塊硬碟、支援 LVM 和 RAID 等，具體的可以參考它的「官方文檔」或者「Linux 下常見文件系統對比」。

Btrfs 是 Oracle 07 年基於 GPL 協議開源的 Linux 文件系統，其目的是替換傳統的 Ext3、Ext4 系列文件系統。Ext 系列文件系統存在著諸多問題，比如反刪除能力有限等；而 Btrfs 在解決問題同時提供了更加強大的高級特性。

Btrfs 特性

Btrfs 在文件系統級別支援寫時複製 (COW) 機制，並且支援快照 (增量快照)、支援對單個文件快照；同時支援單個超大文件、文件檢查、內建 RAID；支援 B 樹子卷 (組合多個物理卷，多卷支援) 等。具體如下：

Btrfs 核心特性：

多物理卷支援：Btrfs 可有多個物理卷組成 (類似 LVM)；支援 RAID 以及聯機添加、刪除、修改
寫時複製更新機制 (COW)：複製、更新、替換指針，而非傳統意義上的覆蓋
支援數據及元數據校驗碼：Checksum 機制
支援創建子卷：Subvolume 機制，同時可多層創建
支援快照：基於 COW 實現快照，並且相對於 LVM 可以實現快照的快照 (增量快照)
支援透明壓縮：後台自動壓縮文件(消耗一定 CPU)，對前端程式透明

Btrfs 是 Linux 下大家公認的將會替代 ext4 的下一代文件系統，功能非常強大。本篇不會介紹 Btrfs 的原理，也不會介紹 Btrfs 的所有功能，只是挑了其中的 Subvolume 和 Snapshot 這兩個特性來進行介紹。

本篇所有例子都在 Ubuntu-Server-X86_64 16.04 下執行通過。

準備環境

先創建一個虛擬的硬碟，然後將它格式化成 Btrfs，最後將它掛載到目錄 /mnt/btrfs 。

  # 為了簡單起見，這裡只使用一塊硬碟來做測試（Btrf s可以管理多塊硬碟或分區）。  # 新建一個文件，用來虛擬一塊硬碟。  dev@ubuntu:~$ fallocate -l 512M /tmp/btrfs.img    # 在上面創建 Btrfs 文件系統  dev@ubuntu:~$ mkfs.btrfs /tmp/btrfs.img  btrfs-progs v4.4  See http://btrfs.wiki.kernel.org for more information.    Label:              (null)  UUID:               fd5efcd3-adc2-406b-a684-e6c87dde99a1  Node size:          16384  Sector size:        4096  Filesystem size:    512.00MiB  Block group profiles:    Data:             single            8.00MiB    Metadata:         DUP              40.00MiB    System:           DUP              12.00MiB  SSD detected:       no  Incompat features:  extref, skinny-metadata  Number of devices:  1  Devices:     ID        SIZE  PATH      1   512.00MiB  /tmp/btrfs.img    # 創建文件夾並掛載  dev@ubuntu:~$ sudo mkdir /mnt/btrfs  dev@ubuntu:~$ sudo mount /tmp/btrfs.img /mnt/btrfs    # 修改許可權，這樣後面的部分操作就不再需要 sudo  dev@ubuntu:~$ sudo chmod 777 /mnt/btrfs

Subvolume

可以把 Subvolume 理解為一個虛擬的設備，由 Btrfs 管理，創建好了之後就自動掛載到了 Btrfs 文件系統的一個目錄上，所以我們在文件系統裡面看到的 Subvolume 就是一個目錄，但它是一個特殊的目錄，具有掛載點的一些屬性。

新創建的 Btrfs 文件系統會創建一個路徑為「/」的默認 Subvolume，即 Root Subvolume。其 ID 為 5（別名為 0），這是一個 ID 和目錄都預設好的 Subvolume。

  # 這裡從 mount 的參數 「subvolid=5,subvol=/」 就可以看出來默認的 Root Subvolume 的 id 為 5，路徑為 「/」 。  dev@debian:/mnt/btrfs$ mount|grep btrfs  /dev/loop1 on /mnt/btrfs type btrfs (rw,relatime,space_cache,subvolid=5,subvol=/)

創建 Subvolume

這裡我們將會利用 Btrfs 提供的工具創建兩個新 Subvolume 和兩個文件夾，來看看他們之間的差別

dev@ubuntu:~$ cd /mnt/btrfs  # btrfs 命令是 Btrfs 提供的應用層工具，可以用來管理 Btrfs。  # 這裡依次創建兩個 Subvolume，創建完成之後會自動在當前目錄下生成兩個目錄。  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ btrfs subvolume create sub1  Create subvolume './sub1'  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ btrfs subvolume create sub2  Create subvolume './sub2'    # 創建兩個文件夾  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ mkdir dir1 dir2    # 在sub1、sub2 和 dir1 中分別創建一個文件  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ touch dir1/dir1-01.txt  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ touch sub1/sub1-01.txt  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ touch sub2/sub2-01.txt    # 最後看看目錄結構，是不是看起來 sub1 和 dir1 沒什麼區別？  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ tree  .  ├── dir1  │   └── dir1-01.txt  ├── dir2  ├── sub1  │   └── sub1-01.txt  └── sub2      └── sub2-01.txt

不過由於每個 Subvolume 都是一個單獨的虛擬設備，所以無法跨 Subvolume 建立硬鏈接。

# 雖然 sub1 和 sub2 屬於相同的 Btrfs 文件系統，並且在一塊物理硬碟上。但由於他們屬於不同的 Subvolume，所以在它們之間建立硬鏈接失敗。  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ ln ./sub1/sub1-01.txt ./sub2/  ln: failed to create hard link './sub2/sub1-01.txt' => './sub1/sub1-01.txt': Invalid cross-device link

刪除 Subvolume

Subvolume 不能用 rm 命令來刪除的，只能通過 btrfs 命令來刪除。

# 普通的目錄通過 rm 命令就可以被刪除  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ rm -r dir2    # 通過 rm 命令刪除 Subvolume 就會失敗  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ sudo rm -r sub2  rm: cannot remove 'sub2': Operation not permitted    # 需要通過 btrfs 命令才能刪除，刪除 sub2 成功（就算 Subvolume 裡面有文件也能被刪除）  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume del sub2  Delete subvolume (no-commit): '/mnt/btrfs/sub2'  dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ tree  .  ├── dir1  │   └── dir1-01.txt  └── sub1      └── sub1-01.txt

上面刪除的時候可以看到這樣的提示：Delete subvolume (no-commit)，表示 Subvolume 被刪除了，但沒有提交。意思是在記憶體裡面生效了，但磁碟上的內容還沒刪，意味著如果這個時候系統 Crash 掉，這個 Subvolume 有可能還會回來。Btrfs 這樣做的好處是刪除速度很快，不會影響使用，缺點是有可能在後台 Commit 的過程中系統掛掉，導致 Commit 失敗。

為了確保 Subvolume 里的數據被真正的從磁碟上移除掉，可以在刪除 Subvolume 的時候指定 -c 參數，這樣 btrfs命令會等提交完成之後再返回。

dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume del -c sub2Delete subvolume (commit): '/mnt/btrfs/sub2'

掛載 Subvolume

Subvolume 可以直接通過 mount 命令進行掛載，和掛載其它設備沒什麼區別，具體的掛載參數請查看參考官方文檔。

# 創建一個用於掛載點的目錄dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ sudo mkdir /mnt/sub1  # 先查看待掛載的 Subvolume 的 iddev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume list /mnt/btrfs/ID 256 gen 9 top level 5 path sub1  # 通過 -o 參數來指定要掛載的 Subvolume 的 ID# 通過路徑來掛載也是一樣的效果：sudo mount -o subvol=/sub1 /tmp/btrfs.img /mnt/sub1/dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo mount -o subvolid=256 /tmp/btrfs.img /mnt/sub1/dev@debian:/mnt/btrfs$ tree /mnt/sub1//mnt/sub1/└── sub1-01.txt

設置 Subvolume 只讀

Subvolume 可以被設置成只讀狀態。

# 通過 btrfs property 可以查看和修改 Subvolume 的只讀狀態# 默認情況下，Subvolume 的只讀屬性為 false，即允許寫dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ btrfs property get -ts ./sub1/ro=false  # 將 sub1 的只讀屬性設置成 truedev@ubuntu:/mnt/btrfs$ btrfs property set -ts ./sub1/ ro truedev@ubuntu:/mnt/btrfs$ btrfs property get -ts ./sub1ro=true  # 寫文件失敗，提示文件系統只讀dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ touch ./sub1/sub1-02.txttouch: cannot touch './sub1/sub1-02.txt': Read-only file system  # 將sub1的狀態改回去，以免影響後續測試dev@ubuntu:/mnt/btrfs$ btrfs property set -ts ./sub1/ ro false

Snapshot

可以在 Subvolume 的基礎上製作快照，幾點需要注意：

默認情況下 Subvolume 的快照是可寫的
快照是特殊的 Subvolume，具有 Subvolume 的屬性。所以快照也可以通過 mount 掛載，也可以通過 btrfs property 命令設置只讀屬性
由於快照的本質就是一個 Subvolume ，所以可以在快照上面再做快照

在 Subvolume 上做了快照後，Subvolume 和快照就會共享所有的文件。只有當文件更新的時候，才會觸發 COW（copy on write），所以創建快照很快，基本不花時間。並且 Btrfs 的 COW 機制很高效，就算多個快照共享一個文件，更新這個文件也和更新一個普通文件差不多的速度。

如果用過 Git 的話，就能很容易理解 Btrfs 里的快照，可以把 Subvolume 理解為 Git 裡面的 master 分支，而快照就是從 master checkout 出來的新分支，於是快照跟 Git 里的分支有類似的特點：

創建快照幾乎沒有開銷
可以在快照的基礎上再創建快照
當前快照裡面的修改不會影響其它快照
快照可以被刪除

當然 Subvolume 也可以像 Git 里的 master 一樣被刪除。

創建快照

# 在 Root Subvolume 的基礎上創建一個快照# 默認情況下快照是可寫的，如果要創建只讀快照，需要加上 -r 參數dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume snapshot ./ ./snap-rootCreate a snapshot of './' in './snap-root'  # 創建完成後，可以看到我們已經有了兩個 Subvolumedev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume list ./ID 256 gen 11 top level 5 path sub1ID 257 gen 13 top level 5 path snap-root  # 我們可以通過指定 -s 參數來只列出快照dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume list -s ./ID 257 gen 10 cgen 10 top level 5 otime 2017-03-05 21:46:03 path snap-root  # 再來看看快照 snap-root 中的文件，可以看到有 dir1 及下面的文件，但看不到 sub1 下的文件，那是因為 sub1 是一個subvolume。在做一個 Subvolume 的快照的時候，不會將它裡面的 Subvolume 也做快照dev@debian:/mnt/btrfs$ tree ./snap-root./snap-root├── dir1│   └── dir1-01.txt└── sub1  # 創建 sub1 的一個快照，可以看到 sub1 裡面的文件出現在了快照裡面dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume snapshot ./sub1/ ./snap-sub1Create a snapshot of './sub1/' in './snap-sub1'  # 然後在 sub1 和它的快照 snap-sub1 下面各自創建一個文件，會發現它們之間不受影響dev@debian:/mnt/btrfs$ touch snap-sub1/snap-sub1-01.txtdev@debian:/mnt/btrfs$ touch sub1/sub1-02.txtdev@debian:/mnt/btrfs$ tree.├── dir1│   └── dir1-01.txt├── snap-root│   ├── dir1│   │   └── dir1-01.txt│   └── sub1├── snap-sub1│   ├── snap-sub1-01.txt│   └── sub1-01.txt└── sub1    ├── sub1-01.txt    └── sub1-02.txt

刪除快照

刪除快照和刪除 Subvolume 是一樣的，沒有區別。

dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume del snap-rootDelete subvolume (no-commit): '/mnt/btrfs/snap-root'dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume del snap-sub1Delete subvolume (no-commit): '/mnt/btrfs/snap-sub1'dev@debian:/mnt/btrfs$ tree.├── dir1│   └── dir1-01.txt└── sub1    ├── sub1-01.txt    └── sub1-02.txt

Default Subvolume

可以設置 Btrfs 分區的默認 Subvolume，即在掛載磁碟的時候，可以只讓分區中的指定 Subvolume 對用戶可見。看下面的例子：

# 查看 sub1 的IDdev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume list ./ID 256 gen 14 top level 5 path sub1  # 將 sub1 設置為當前 Btrfs 文件系統的默認 Subvolumedev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume set-default 256 /mnt/btrfs/  # 重新將虛擬硬碟掛載到一個新目錄dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo mkdir /mnt/btrfs1dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo mount /tmp/btrfs.img /mnt/btrfs1/  # 這裡將只能看到 sub1 下的文件dev@debian:/mnt/btrfs$ tree /mnt/btrfs1/mnt/btrfs1├── sub1-01.txt└── sub1-02.txt  # 由於 Btrfs 原來的默認 Subvolume 是 Root Subvolume，其 ID 是5（也可以通過 0 來標識），所以我們可以通過同樣的命令將默認 Subvolume 再改回去dev@debian:/mnt/btrfs$ sudo btrfs subvolume set-default 0 /mnt/btrfs/

Default Subvolume 有什麼用呢？

利用 Snapshot 和 Default Subvolume，可以很方便的實現不同系統版本的切換。比如將系統安裝在一個 Subvolume 下面，當要做什麼危險操作的時候，先在 Subvolume 的基礎上做一個快照 A。如果操作成功，那麼什麼都不用做（或者把 A 刪掉），繼續用原來的 Subvolume，A 不被刪掉也沒關係，多一個快照在那裡也不佔空間。如果操作失敗，那麼可以將 A 設置成 Default Subvolume，並將原來的 Subvolume 刪除，這樣就相當於系統回滾。

有了這樣的功能後，Linux 的每次操作都能回滾，養成在修改操作前做 Snapshot 的習慣，就再也不用擔心 rm 誤刪文件了。

現在有些發行版已經有了類似的功能，如 Ubuntu，將安裝工具 Apt 和 Btrfs 結合，自動的在安裝軟體之前打一個 Snapshot。然後安裝軟體，如果成功，刪除新的 Snapshot，如果失敗，修改 Default Subvolume 為新的 Snapshot，刪除掉原來的 Snapshot，這樣對系統沒有任何影響，並且所有操作對用戶是透明的。

隨著 Btrfs 的成熟和普及，相信會改變一些我們使用 Linux 的習慣。

參考文檔

https://segmentfault.com/a/1190000008605135
https://mritd.me/2017/03/20/btrfs-note/