Linux Btrfs文件系统详解

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发布时间: 2025-03-23 10:52

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# Linux Btrfs文件系统详解

Btrfs(B-tree File System)是一种现代的写时复制(CoW)文件系统,它提供了许多高级特性,如快照、子卷、RAID支持等。本文将详细介绍Linux系统中的Btrfs文件系统特性。

## 基本概念

### 文件系统结构

1. B树结构
   ```c
   struct btrfs_header {
       u8 csum[BTRFS_CSUM_SIZE];  // 校验和
       u8 fsid[BTRFS_FSID_SIZE];   // 文件系统ID
       __le64 bytenr;              // 块号
       __le64 flags;               // 标志位
       
       u8 chunk_tree_uuid[BTRFS_UUID_SIZE]; // chunk树UUID
       __le64 generation;          // 事务ID
       __le64 owner;               // 所有者
       __le32 nritems;             // 项目数量
       u8 level;                   // 树级别
   };
   ```

2. 子卷管理
   ```c
   struct btrfs_root_item {
       struct btrfs_inode_item inode;
       __le64 generation;          // 事务ID
       __le64 root_dirid;          // 根目录ID
       __le64 bytenr;              // 根节点位置
       __le64 byte_limit;          // 字节限制
       __le64 bytes_used;          // 已用字节数
       __le64 last_snapshot;       // 最后快照时间
       __le64 flags;               // 标志位
       // ...
   };
   ```

### 特性支持

1. 写时复制
   - 数据和元数据的CoW
   - 原子性更新
   - 数据一致性保证

2. 动态inode分配
   - 无固定inode表
   - 按需分配inode
   - 支持大量小文件

## 数据管理

### 存储布局

1. 块组管理
   ```c
   struct btrfs_block_group_item {
       __le64 used;               // 已用空间
       __le64 chunk_objectid;     // chunk对象ID
       __le64 flags;              // 标志位
   };
   ```

2. 空间分配
   ```c
   int btrfs_alloc_data_chunk(struct btrfs_trans_handle *trans,
                              struct btrfs_root *root,
                              u64 *start,
                              u64 *num_bytes,
                              u64 min_size)
   {
       struct btrfs_space_info *space_info;
       int ret;
       
       // 获取空间信息
       space_info = root->fs_info->data_sinfo;
       
       // 分配新的chunk
       ret = btrfs_alloc_chunk(trans, root, start,
                               num_bytes, min_size);
       if (ret)
           return ret;
       
       // 更新空间信息
       spin_lock(&space_info->lock);
       space_info->total_bytes += *num_bytes;
       spin_unlock(&space_info->lock);
       
       return 0;
   }
   ```

### 数据组织

1. 文件结构
   ```c
   struct btrfs_inode_item {
       __le64 generation;          // 事务ID
       __le64 transid;             // 最后修改事务
       __le64 size;                // 文件大小
       __le64 nbytes;              // 磁盘使用量
       __le64 block_group;         // 块组
       __le32 nlink;               // 硬链接数
       __le32 uid;                 // 用户ID
       __le32 gid;                 // 组ID
       __le32 mode;                // 文件模式
       __le64 rdev;                // 设备ID
       __le64 flags;               // 标志位
       // ...
   };
   ```

2. 扩展属性
   ```c
   struct btrfs_xattr_item {
       __le16 name_len;           // 名称长度
       __le16 data_len;           // 数据长度
       u8 name[0];                // 名称
       u8 data[0];                // 数据
   };
   ```

## 快照和克隆

### 快照管理

1. 创建快照
   ```c
   int btrfs_snap_create(struct btrfs_trans_handle *trans,
                         struct btrfs_root *root,
                         const char *name,
                         struct btrfs_root *parent,
                         u64 new_dirid,
                         struct dentry *dentry)
   {
       struct btrfs_fs_info *fs_info = root->fs_info;
       struct btrfs_root *snap_root;
       int ret;
       
       // 创建新的根节点
       snap_root = btrfs_copy_root(trans, root,
                                   parent,
                                   new_dirid);
       if (IS_ERR(snap_root))
           return PTR_ERR(snap_root);
       
       // 设置快照属性
       snap_root->root_key.offset = new_dirid;
       snap_root->root_key.type = BTRFS_ROOT_ITEM_KEY;
       
       // 插入快照
       ret = btrfs_insert_root(trans, fs_info->tree_root,
                               &snap_root->root_key,
                               &snap_root->root_item);
       
       return ret;
   }
   ```

2. 快照回滚
   ```c
   int btrfs_rollback_snapshot(struct btrfs_root *root,
                               struct btrfs_root *snap_root)
   {
       struct btrfs_path *path;
       int ret;
       
       // 锁定文件系统
       mutex_lock(&root->fs_info->transaction_kthread_mutex);
       
       // 替换根节点
       ret = btrfs_copy_root(trans, snap_root,
                             root, root->root_key.objectid);
       
       // 更新文件系统信息
       btrfs_end_transaction(trans);
       
       mutex_unlock(&root->fs_info->transaction_kthread_mutex);
       return ret;
   }
   ```

### 克隆操作

1. 文件克隆
   ```c
   int btrfs_clone_file_range(struct file *src_file,
                              loff_t src_off,
                              struct file *dst_file,
                              loff_t dst_off,
                              u64 len)
   {
       struct inode *src = src_file->f_path.dentry->d_inode;
       struct inode *dst = dst_file->f_path.dentry->d_inode;
       struct btrfs_fs_info *fs_info;
       int ret;
       
       // 检查参数
       if (src_off + len > i_size_read(src))
           return -EINVAL;
       
       // 执行克隆
       ret = btrfs_clone_files_range(src, dst,
                                     src_off, dst_off,
                                     len);
       
       // 更新文件大小
       if (!ret && dst_off + len > i_size_read(dst))
           i_size_write(dst, dst_off + len);
       
       return ret;
   }
   ```

2. 范围克隆
   ```c
   int btrfs_clone_files_range(struct inode *src,
                               struct inode *dst,
                               u64 src_off,
                               u64 dst_off,
                               u64 len)
   {
       struct btrfs_fs_info *fs_info;
       struct btrfs_path *path;
       int ret;
       
       // 分配路径
       path = btrfs_alloc_path();
       if (!path)
           return -ENOMEM;
       
       // 查找源数据范围
       ret = btrfs_lookup_file_extent(NULL, src->root,
                                      path, btrfs_ino(src),
                                      src_off, 0);
       if (ret < 0)
           goto out;
       
       // 克隆数据范围
       ret = btrfs_clone_extent_to_file(src, dst,
                                        src_off, dst_off,
                                        len);
       
   out:
       btrfs_free_path(path);
       return ret;
   }
   ```

## RAID支持

### RAID配置

1. RAID级别
   ```c
   // RAID类型
   #define BTRFS_RAID0        0x1
   #define BTRFS_RAID1        0x2
   #define BTRFS_DUP          0x4
   #define BTRFS_RAID10       0x8
   #define BTRFS_RAID5        0x10
   #define BTRFS_RAID6        0x20
   ```

2. 条带化管理
   ```c
   struct btrfs_stripe {
       __le64 devid;              // 设备ID
       __le64 offset;             // 偏移量
       u8 dev_uuid[BTRFS_UUID_SIZE]; // 设备UUID
   };
   
   struct btrfs_chunk {
       __le64 length;             // 长度
       __le64 owner;              // 所有者
       __le64 stripe_len;         // 条带长度
       __le64 type;               // 类型
       struct btrfs_stripe stripe; // 条带信息
   };
   ```

### 故障恢复

1. 设备替换
   ```c
   int btrfs_dev_replace_start(struct btrfs_fs_info *fs_info,
                               u64 srcdevid,
                               u64 target_devid,
                               u64 target_offset)
   {
       struct btrfs_device *srcdev;
       struct btrfs_device *tgtdev;
       int ret;
       
       // 查找源设备和目标设备
       srcdev = btrfs_find_device(fs_info, srcdevid);
       tgtdev = btrfs_find_device(fs_info, target_devid);
       
       // 开始替换过程
       ret = btrfs_dev_replace_start_transaction(fs_info,
                                                 srcdev,
                                                 tgtdev);
       
       return ret;
   }
   ```

2. 数据修复
   ```c
   int btrfs_repair_block_groups(struct btrfs_fs_info *info)
   {
       struct btrfs_block_group_cache *cache;
       int ret = 0;
       
       // 遍历所有块组
       list_for_each_entry(cache, &info->space_info->block_groups,
                          list) {
           // 检查并修复块组
           ret = btrfs_check_block_group(cache);
           if (ret)
               break;
           
           // 重建块组元数据
           ret = btrfs_rebuild_block_group(cache);
           if (ret)
               break;
       }
       
       return ret;
   }
   ```

## 调试支持

### 文件系统检查

1. 一致性检查
   ```bash
   # 检查文件系统
   btrfs check /dev/sda1
   
   # 修复文件系统
   btrfs check --repair /dev/sda1
   ```

2. 错误处理
   ```c
   void btrfs_handle_fs_error(struct btrfs_fs_info *fs_info,
                              const char *function,
                              unsigned int line,
                              int errno)
   {
       // 记录错误信息
       printk(KERN_CRIT "BTRFS: error (device %s) in %s:%d",
              fs_info->sb->s_id, function, line);
       
       // 设置错误标志
       set_bit(BTRFS_FS_STATE_ERROR,
               &fs_info->fs_state);
       
       // 通知用户空间
       btrfs_error_notify(fs_info, errno);
   }
   ```

### 性能监控

1. 统计信息
   ```bash
   # 查看文件系统信息
   btrfs filesystem show
   
   # 查看设备使用情况
   btrfs device stats /dev/sda1
   ```

2. 性能分析
   ```bash
   # iostat查看IO统计
   iostat -x 1
   
   # bpftrace跟踪IO
   bpftrace -e 'tracepoint:btrfs:* { @[probe] = count(); }'
   ```

## 最佳实践

1. 文件系统配置
   - 选择合适的RAID级别
   - 合理设置子卷
   - 定期创建快照

元素码农