了解和使用 Linux 中的 BtrFS 文件系统

发表 admin at 2025年2月28日

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这篇博文旨在帮助您开始使用B 树文件系统 (BtrFS)。 Linux 内核树中基于内核的文件系统目前超过 55 个，每个文件系统都有其优点和缺点。在这里，我们将广泛介绍如何在 Linux 中管理 BtrFS 文件系统。

一些文件系统的用途有限或非常具体，被认为真正通用的文件系统是 extN 系统，如 ext2、ext3、ext4 – 它们稳定且功能强大，但仍然有一定的局限性。

B-tree 文件系统 (BtrFS) 发音为Better FS，现在已经在 Linux 中取得了相当长的一段时间。截至撰写本文时，稳定的可用版本是 4.9。现在让我们了解 Linux 管理中 BtrFS 文件系统的基础知识。

什么是 BtrFS？

BtrFS 是下一代通用 Linux 文件系统，提供先进的集成设备管理、可扩展性和可靠性等独特功能。 BtrFS 可扩展到 16 艾字节 (EB)，并专注于其他 Linux 文件系统所没有的功能，有些人甚至认为 Btrfs 是 Sun/Oracle ZFS 的 Linux 版本，但其架构比 Sun/Oracle ZFS 更具可扩展性ZFS。事实上，Linux 中的 BtrFS 文件系统目前受到了极大的关注。

BtrFS 为 Ceph 分布式文件系统及其“云”技术的 RADOS 对象存储层奠定了基础。它包含来自 ext4、XFS、HP aufs 和 Reiser 文件系统的思想。 BtrFS 的开发非常活跃，新功能正在以惊人的速度添加。

为什么选择 BtrFS

Linux 中的 BtrFS 文件系统提供以下特性和功能

内置写入时复制
强大的快照功能
带有子卷的内置卷管理
高达16 艾字节的大规模可扩展性
内置数据完整性（校验和）
SSD优化
压缩能力
云就绪
BtrFS 内置 RAID
手动碎片整理
在线文件系统管理
数据和元数据完整性
从 ext2/3/4 和 ReiserFS 就地转换
配额组
在线扩展和减少文件系统大小
对象级 RAID
播种装置
支持多种设备

Btrfs 规格

最大卷大小：16 EB（2^64 字节）
最大文件大小：16 EB
最大文件名大小：255 字节
文件系统检查：在线和离线
目录查找算法：B-Tree
文件名中的字符：任意，除了 0x00
兼容性
- 硬链接和符号链接
- 访问控制列表 (ACL)
- 扩展属性 (xattrs)
- POSIX 文件所有者/权限
- 异步和直接 I/O
- 稀疏文件

BtrFS 真正支持最大文件大小为 16 Exabytes。如果“艾字节”这个术语让您有点困惑，请参考下图，它可以帮助您直观地了解这一点。

要检查您的内核当前支持哪些文件系统，您可以在文件 /proc/filesystems 中找到。下面显示了我的本地系统的示例。

# cat /proc/filesystems 
nodev   sysfs
nodev   rootfs
..............
    btrfs
    ext3
    ext2
    ext4
    vfat
    xfs
    fuseblk
nodev   fuse
nodev   fusectl

对于BtrFS支持，输出应包含关键字btrfs。

在 Linux 发行版上安装 BtrFS

在基于 Debian 的系统上：

sudo apt update
sudo apt -y install btrfs-progs

基于 RHEL 的系统：

sudo yum -y install btrfs-progs

架构Linux

sudo pacman -S btrfs-progs

根图

sudo emerge --ask sys-fs/btrfs-progs

BtrFS 有用的挂载选项

有关可用选项的更多详细信息，请阅读 btrfs 手册页

$ man 5 btrfs

使用 BtrFS – 使用示例

我的实验室机器当前有两个辅助硬盘驱动器，每个硬盘驱动器由 1 GB 组成，用于稍后的演示。为了顺利进行，您可以启动虚拟机，安装 btrfs-progs 软件包并添加两个辅助硬盘驱动器。

创建并挂载 BtrFS 分区

为了开始演示，我们首先在单个 1 GB 分区上创建 BtrFS 文件系统，并将其挂载到 /data 目录。我们将在 /dev/vdb 上创建一个分区，覆盖块设备的 30%。要制作基本的 BtrFS 文件系统并挂载它，请使用以下命令：

sudo parted --script /dev/vdb "mklabel gpt"
sudo parted --script /dev/vdb "mkpart primary 1 30%"
sudo parted  /dev/vdb print 
sudo mkdir /data
sudo mkfs.btrfs /dev/vdb1
sudo mount /dev/vdb1 /data

为了确认已安装的分区按照我们想要的方式工作，让我们将一些数据复制到其中，如下所示：

sudo find /usr/share/doc -name '*[a,b].html' -exec cp {} /data \;
ls -l /data

还可以使用 btrfs 命令检查文件系统：

btrfs filesystem show /dev/vdb1
btrfs filesystem df -h /data/
btrfs filesystem usage /data/

从这些命令中，您会看到我们复制了一些现有的 html 文件，为我们提供一些用于演示的真实数据。最后一个命令确认大小接近 300MB（1 GB 的 30%）。

列出根卷的子卷

$ btrfs subvolume list /data/

查看磁盘空间利用率：

$ btrfs filesystem df -h /data
$ btrfs filesystem show /dev/vdb1

扩大 btrfs 文件系统

从之前对 dev/vdb 的分区来看，我们还有大约 700MB 未分区。我们将用它来扩大 btrfs 文件系统。

sudo parted /dev/vdb mkpart primary 30% 60%
sudo btrfs device add /dev/vdb2 /data/
btrfs filesystem show /data
df -h /data/

删除 btrfs 设备

使用btrfs device delete命令删除在线设备。它将把正在使用的任何盘区重新分配到文件系统中的其他设备，以便安全地删除。

例子：

sudo btrfs device delete /dev/vdb2 /data

这就是我们扩展 BtrFS 文件系统所需要做的全部工作。这从下面所示的输出中得到了证实：

扩展 BtrFS 文件系统

您还可以通过指定预期大小直接调整大小，语法为：

sudo btrfs filesystem resize amount /mount-point

该数量可以是设定的大小，例如“+3g”表示增加3 GiB，也可以是“max”以增加文件系统以填满整个块设备。使用“-3g”减少 3 GiB。请考虑下面的示例，将新分区 /dev/sda4 添加到 /home 并对其进行扩展。

$ sudo btrfs device add /dev/sda4 /home -f
$ sudo btrfs filesystem resize max /home
$ sudo btrfs filesystem show /home

Label: 'home'  uuid: b40ffd9b-c09d-403e-a5f3-b79b5c314505
    Total devices 2 FS bytes used 79.71GiB
    devid    1 size 88.81GiB used 88.81GiB path /dev/mapper/arch-home
    devid    2 size 8.89GiB used 1.00GiB path /dev/sda4

请注意，新设备已成功添加。

平衡文件系统

如果原始卷中的磁盘空间不足，我们可以添加额外的分区。这些设备上的元数据和数据仍然仅存储在 /dev/vdb1 上。现在必须使用以下命令平衡它以分布在所有分区上：

$ sudo btrfs balance start -d -m /data

论据：

-d：代表数据

-m：代表元数据

这将确保磁盘得到同等使用。

测试：

是时候在 Linux 中对 BtrFS 文件系统进行一些测试了。为了测试平衡是否有效，我将生成两个大小分别为 100MB 的随机数据。

sudo dd if=/dev/urandom of=/data/hugefile1 bs=1M count=100
sudo dd if=/dev/urandom of=/data/hugefile2 bs=1M count=100
sudo btrfs balance start -d -m /data
sudo btrfs filesystem show /data

您应该注意到，两卷中的数据非常平衡。

如果您希望在启动时安装 /data 目录，请将以下条目附加到 /etc/fstab 文件中：

/dev/vdb1  /data btrfs device=/dev/vdb1,device=/dev/vdb2 0 0

多设备文件系统创建

使用 Linux 中的 BtrFS 文件系统。可以进行多设备管理。这将 -d 和 -m 选项与 mkfs.btrfs 命令结合使用。有效规格为：

单身的
raid0：无冗余的条带化
raid1：磁盘镜像
raid10：条纹镜子

-m 单个选项指示不重复元数据。使用硬件 raid 时可能需要这样做。

要将新设备添加到已创建的多设备文件系统，请使用：

sudo mkfs.btrfs /dev/device1 /dev/device2 /dev/device3
sudo mount /dev/device3 /mount-point

重新加载 btrfs 模块然后运行：

sudo btrfs device scan

发现所有多设备文件系统。

让我们考虑下面的示例来创建 raid10 和 raid1 btrfs 文件系统。请注意，raid 10 至少需要四个设备才能正常运行。

具有元数据镜像、数据条带化的四个设备

sudo mkfs.btrfs /dev/device1 /dev/device2 /dev/device3 /dev/device4

两个设备，元数据条带化但无镜像

sudo mkfs.btrfs -m raid0 /dev/device1 /dev/device2

raid10 用于数据和元数据

sudo mkfs.btrfs -m raid10 -d raid10 /dev/device1 /dev/device2 /dev/device3 /dev/device4

当驱动器大小不同时，每个设备使用的全部容量：

sudo mkfs.btrfs /dev/device1 /dev/device2 /dev/device3
sudo mount /dev/device1 /mount-point

不要在单个驱动器上复制元数据。

sudo mkfs.btrfs -m single /dev/device

BtrFS 设备扫描

扫描 /dev 下的所有块设备并使用以下命令探测 BtrFS 卷：

sudo btrfs device scan
sudo btrfs device scan /dev/device

创建 BtrFS 子卷

子卷允许 BtrFS 文件系统内的离散管理身份。在本部分中，我们将创建两个子卷：subvolume1 和 subvolume2。为此，我们首先在 /dev/vdb3 设备上创建一个新的 BtrFS，创建一个挂载点并挂载它：

sudo parted /dev/vdb mkpart primary 60% 100%
sudo mkfs.btrfs /dev/vdb3
sudo mkdir /subvol_btrfs
sudo mount /dev/vdb3 /subvol_btrfs

现在让我们在 /subvol_btrfs 上创建两个子卷。

sudo btrfs subvolume create /subvol_btrfs/subvolume1
sudo btrfs subvolume create /subvol_btrfs/subvolume2

当我们定义子卷时，目录和 BtrFS 子卷实体都将在文件系统中创建。

在 /subvol_btrfs 和子卷中创建一些文件：

sudo touch /subvol_btrfs/btrfsmainfile.txt
sudo touch /subvol_btrfs/subvolume1/subvolume1file.txt
sudo touch /subvol_btrfs/subvolume2/subvolume2file.txt

列出 /subvol_btrfs 中当前可用的子卷：

$ sudo btrfs subvolume list /subvol_btrfs

ID 256 gen 9 top level 5 path subvolume1
ID 257 gen 9 top level 5 path subvolume2

sudo umount /subvol_btrfs

安装子卷

您可以将子卷安装到安装点。让我们这样做并使用 ls -l 命令比较结果：

$ sudo mount /dev/vdb3 /subvol_btrfs/
$ ls -l /subvol_btrfs/
$ sudo umount  /subvol_btrfs/

$ sudo mount -o subvol=subvolume1 /dev/vdb3 /subvol_btrfs/
$ ls -l /subvol_btrfs/

$ sudo mount -o subvol=subvolume2 /dev/vdb3 /subvol_btrfs/
$ ls -l /subvol_btrfs/

使子卷成为默认子卷而不是当前根卷：

让我们将 subvolume1 设置为默认子卷。我们需要的是它的 ID：

$ sudo umount /subvol_btrfs/ 2>/dev/null
$ sudo mount /dev/vdb3 /subvol_btrfs/
$ ID=`btrfs subvolume list /subvol_btrfs/ | grep subvolume1 | awk '{print $2}'`
$ btrfs subvolume set-default ${ID} /subvol_btrfs

通过重新挂载 /dev/vdb3 进行测试：

$ sudoumount  /subvol_btrfs/
$ sudo mount /dev/vdb3 /subvol_btrfs/

$ ls -l /subvol_btrfs/
total 0
-rw-r--r--. 1 root root 0 Jan 10 11:22 subvolume1file.txt

从上面的输出中请注意，我们在 subvolume1 上创建的数据是挂载 /dev/vdb3 时默认可用的数据。

要将默认值设置回根卷，请使用 ID 0 或 5：

$ sudo btrfs subvolume set-default 0 /subvol_btrfs
$ sudo umount /subvol_btrfs 
$ sudo mount /dev/vdb3 /subvol_btrfs/

$ ls -l /subvol_btrfs/
total 0
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 11:22 btrfsmainfile.txt
drwxr-xr-x. 1 root root 36 Jan 10 11:22 subvolume1
drwxr-xr-x. 1 root root 36 Jan 10 11:22 subvolume2

使用 BtrFS 快照

Linux 快照功能中的 BtrFS 文件系统可用作数据的只读或读/写副本。可以通过以下方式使用快照：

1. 创建只读快照，然后执行快照备份。这样，备份将是创建快照的时间点的主机文件系统。

2. 在修改许多文件时使用它作为还原点。如果修改导致负面结果，您可以轻松恢复到快照副本。

快照必须在与目标数据相同的文件系统上创建，因为快照的快速创建受到文件系统内某种形式的内部链接的影响。

注意：您无法创建整个文件系统的快照。这是因为对快照的更改需要写回到其自身，从而导致无限递归。

为了演示的目的，我们将使用之前创建的两个子卷。我们的场景是创建工作子卷 subvoume1 的只读快照。

$ sudo btrfs subvolume snapshot -r /subvol_btrfs/subvolume1 /subvol_btrfs/subvolume2/backup/

Create a readonly snapshot of '/subvol_btrfs/subvolume1' in '/subvol_btrfs/subvolume2/backup'

我们可以使用以下命令列出可用的子卷：

$ sudo btrfs subvolume list  /subvol_btrfs/

ID 256 gen 24 top level 5 path subvolume1
ID 257 gen 24 top level 5 path subvolume2
ID 258 gen 24 top level 257 path subvolume2/backup

从输出中，我们可以看到快照显示为新的子卷。列出两个目录的内容应该表明内容是相同的：

$ ls /subvol_btrfs/subvolume2/backup/
subvolume1file.txt

$ ls /subvol_btrfs/subvolume1/
subvolume1file.txt

如果我们删除 /subvol_btrfs/subvolume1/ 中的所有文件，BtrFS 中的写时复制 (COW) 技术将在 /subvol_btrfs 中创建文件/subvolume2/备份。如果发生灾难，我们可以简单地将文件复制回原始位置，因为即使原始文件发生更改，它们也不会被修改。

BtrFS 就地迁移；将 ext4 文件系统转换为 BtrFS

在此示例中，我将向您展示如何将 ext4 文件系统转换为 BtrFS。由于我在 KVM 上运行 CentOS 服务器，因此我将添加辅助硬盘，创建一个 ext4 分区，然后将其转换为 BtrFS，以便您可以全面了解它是如何完成的。

添加1GB辅助块设备，这是在主机上完成的：

syudo virsh vol-create-as default  --name btrfs-sec.qcow2 1G
sudo virsh vol-list --pool default
sudo virsh attach-disk --domain cs1 --source /var/lib/libvirt/images/btrfs-sec.qcow2 --persistent --target vdc

确认它已添加到虚拟机上：

$ lsblk  /dev/vdc 

NAME MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
vdc  252:32   0   1G  0 disk

创建ext4分区：

sudo parted --script /dev/vdc "mklabel gpt mkpart primary 0% 100%"
sudo parted --script /dev/vdc print
sudo lsblk -f /dev/vdc

挂载新创建的文件系统，创建一些文件和目录，然后卸载文件系统：

sudo mkdir /ext4tobtrfs
sudo mount /dev/vdc1 /ext4tobtrfs/
sudo mkdir /ext4tobtrfs/test-{1-4}-dir
sudo touch /ext4tobtrfs/test-file{1..10}.txt
sudo ls -l  /ext4tobtrfs/
sudo umount /ext4tobtrfs/

将文件系统转换为 Btrfs：

# btrfs-convert -l convertedfs /dev/vdc1 
create btrfs filesystem:
    blocksize: 4096
    nodesize:  16384
    features:  extref, skinny-metadata (default)
creating btrfs metadata.
copy inodes [o] [         0/        22]
creating ext2 image file.
set label to 'convertedfs'
cleaning up system chunk.
conversion complete.

再次挂载文件系统并查看文件系统类型：

# mount /dev/vdc1 /ext4tobtrfs/
# df -hT /ext4tobtrfs/
Filesystem     Type   Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/vdc1      btrfs 1022M   51M  643M   8% /ext4tobtrfs

请注意，/ext4tobtrfs 的文件系统是 btrfs 类型。

要查看子卷、BtrFS 信息和内容，请使用：

# btrfs filesystem show /ext4tobtrfs/
Label: 'convertedfs'  uuid: 3e985770-66a0-4b85-810e-2e93182696f3
    Total devices 1 FS bytes used 34.78MiB
    devid    1 size 1022.00MiB used 616.25MiB path /dev/vdc1

# btrfs subvolume list /ext4tobtrfs/
ID 256 gen 6 top level 5 path ext2_saved

# ls -l /ext4tobtrfs/
total 16
drwxr-xr-x. 1 root root 10 Jan 10 13:22 ext2_saved
drwx------. 1 root root  0 Jan 10 13:14 lost+found
drwxr-xr-x. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-{1-4}-dir
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file10.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file1.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file2.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file3.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file4.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file5.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file6.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file7.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file8.txt
-rw-r--r--. 1 root root  0 Jan 10 13:19 test-file9.txt

# file  /ext4tobtrfs/ext2_saved/image
/ext4tobtrfs/ext2_saved/image: Linux rev 1.0 ext4 filesystem data, UUID=7e6849f2-8560-4b9d-add8-d344ef577650 (extents) (64bit) (large files) (huge files)

> To mount subvolume or the image in ext2_saved subvolume, use:

# mount -o subvol=ext2_saved /dev/vdc1 /mnt/
# ls -l /mnt
# umount /mnt
# mount -o loop /ext4tobtrfs/ext2_saved/image /mnt/
# ls -la /mnt/

回滚到 ext4 文件系统：

# umount /ext4tobtrfs/

# btrfs-convert -r /dev/vdc1
rollback complete.

# mount /dev/vdc1 /ext4tobtrfs/

# df -hT /ext4tobtrfs/
Filesystem     Type  Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/vdc1      ext4  990M  2.6M  921M   1% /ext4tobtrfs

如果您查看 /ext4tobtrfs/ 中的文件，您会注意到您在 BtrFS 上创建的目录已经消失，只有最初在 ext4 文件系统上创建的目录还在。

转换现有的单一设备系统

将现有的单设备系统（本例中为 /dev/vdb1）转换为双设备 raid1 系统，以防止单磁盘故障，请使用以下命令：

# umount  /subvol_btrfs/
# mount /dev/vdb1 /subvol_btrfs/
# btrfs device add /dev/vdb2 /subvol_btrfs/ -f
# btrfs balance start -dconvert=raid1 -mconvert=raid1 /subvol_btrfs/

BtrFS 维护任务

Linux 中的 BtrFS 文件系统始终需要管理员了解如何执行以下维护任务。

1. 使用scrub 验证校验和：

打开终端窗口并运行：

# watch btrfs scrub status  /subvol_btrfs/

打开另一个终端窗口并运行：

# btrfs scrub start /subvol_btrfs/

第一个提示时的watch将显示清理进度。

2. 手表余额：

在一个终端上运行：

# watch btrfs balance status /subvol_btrfs/

在另一个终端上，运行：

# btrfs balance start /subvol_btrfs/

3. 递归地对文件系统进行碎片整理，

# btrfs filesystem defragment -r /subvol_btrfs/

替换 btrfs 文件系统上的故障设备

如果设备丢失或超级块损坏，则在排除故障之前需要以降级模式挂载文件系统。示例如下所示：

# mkfs.btrfs -m raid1 /dev/vdb /dev/vdc /dev/vdd 
# mount -o degraded /dev/vdb /mnt
# btrfs device delete missing /mnt

结论

在本有关 Linux 中的 BtrFS 文件系统的指南中，我全面介绍了 Linux 中的 BtrFS 文件系统，从基础知识开始到实际配置。 BtrFS 确实是现在就开始使用的东西，因为它将成为未来几年的默认企业文件系统。我们了解了 Linux 中的 BtrFS 文件系统如何通过将文件系统和卷管理捆绑在单任务工作模型中来简化两者。希望您与 BtrFS 合作愉快。

参考

1. 手册页 btrfs(8) 是一个很好的起点。它涵盖了所有重要的管理命令，其中包括：

子卷和快照管理
使用scrub、balance和defragment命令
使用manage命令管理文件系统
用于管理设备的 device 命令。

其他手册页包括：

要了解有关 Linux 管理中的 BtrFS 文件系统的更多信息，请参阅以下手册页。

# man mkfs.btrfs 
# man 5 btrfs
# man 8 fsck.btrfs