新一代 Linux 文件系统 btrfs

刘 明 ([e-mail]), 软件工程师, 上海交通大学电子与通信工程系

2009 年 8 月 20 日

Btrfs 被称为是下一代 Linux 文件系统。近年来 ext2/3 遇到越来越多的扩展性问题，在期待 ext4 的同时，人们发现了 btrfs，据说它采用了很多先进的文件系统设计，不仅解决了 ext2/3 的扩展性问题，还让人们看到了下一代文件系统所具有的许多其他特性。这一切都让人不禁心生好奇，btrfs 究竟提供了哪些特性？它是如何实现的？本文便围绕这些问题展开探讨，首先研究了 btrfs 所提供的新特性，并简要介绍了 btrfs 内部实现这些特性的原理；然后演示了 btrfs 的常用命令。

Btrfs 简介

文件系统似乎是内核中比较稳定的部分，多年来，人们一直使用 ext2/3，ext 文件系统以其卓越的稳定性成为了事实上的 Linux 标准文件系统。近年来 ext2/3 暴露出了一些扩展性问题，于是便催生了 ext4 。在 2008 年发布的 Linux2.6.19 内核中集成了 ext4 的 dev 版本。 2.6.28内核发布时，ext4 结束了开发版，开始接受用户的使用。似乎 ext 就将成为 Linux 文件系统的代名词。然而当您阅读很多有关 ext4的文章时，会发现都不约而同地提到了 btrfs，并认为 ext4 将是一个过渡的文件系统。 ext4 的作者 Theodore Tso 也盛赞btrfs 并认为 btrfs 将成为下一代 Linux 标准文件系统。 Oracle，IBM， Intel 等厂商也对 btrfs表现出了极大的关注，投入了资金和人力。为什么 btrfs 如此受人瞩目呢。这便是本文首先想探讨的问题。

Kevin Bowling[1] 有一篇介绍各种文件系统的文章，在他看来，ext2/3 等文件系统属于“古典时期”。文件系统的新时代是2005 年由 Sun 公司的 ZFS 开创的。 ZFS 代表” last word in file system”，意思是此后再也不需要开发其他的文件系统了。 ZFS 的确带来了很多崭新的观念，对文件系统来讲是一个划时代的作品。

如果您比较 btrfs 的特性，将会发现 btrfs 和 ZFS 非常类似。也许我们可以认为 btrfs 就是 Linux 社区对 ZFS 所作出的回应。从此往后在 Linux 中也终于有了一个可以和 ZFS 相媲美的文件系统。

btrfs 的特性

您可以在 btrfs 的主页上 [2] 看到 btrfs 的特性列表。我自作主张，将那张列表分成了四大部分。

首先是扩展性 (scalability) 相关的特性，btrfs 最重要的设计目标是应对大型机器对文件系统的扩展性要求。Extent，B-Tree 和动态 inode 创建等特性保证了 btrfs在大型机器上仍有卓越的表现，其整体性能而不会随着系统容量的增加而降低。

其次是数据一致性 (data integrity) 相关的特性。系统面临不可预料的硬件故障，Btrfs 采用 COW事务技术来保证文件系统的一致性。 btrfs 还支持 checksum，避免了 silent corrupt的出现。而传统文件系统则无法做到这一点。

第三是和多设备管理相关的特性。 Btrfs 支持创建快照 (snapshot)，和克隆 (clone) 。 btrfs 还能够方便的管理多个物理设备，使得传统的卷管理软件变得多余。

最后是其他难以归类的特性。这些特性都是比较先进的技术，能够显著提高文件系统的时间 / 空间性能，包括延迟分配，小文件的存储优化，目录索引等。