BTRFS on 个人技术随想

利用BTRFS快照实现快速Linux环境切换

Sun, 26 Jan 2025 16:00:00 +0800

对于喜欢折腾的人来说，经常会遇到环境玩崩的情况，在Linux下更是一件常事。而如果每次都要重装系统，其实又非常不方便，也没必要。

在BTRFS文件系统逐步稳定并可用的今天，如果我们将根文件系统迁移到了BTRFS，或许，我们可以借助BTRFS快照功能，实现Linux环境的无痛切换与还原？

思路

为了方便，我们假设一个非常无聊的例子：

希望在一个分区内，安装一个Debian系统
在Debian系统上，分别安装配置GNOME和KDE两个桌面环境
实现两个桌面环境的根文件系统互不干扰，可按需分别启动

需要说明的是，这套配置里，我们假设包括/usr, /etc等路径均没有分配独立的挂载点，否则那就太麻烦啦！/home是否独立挂载取决于环境隔离的程度。

仔细一想，想要实现上述功能的思路是非常简单的：

在BTRFS文件系统上安装一个基础操作系统
对基础操作系统进行快照
根据基础快照，创建两组新的读写快照（子卷），在两个子卷内分别安装GNOME和KDE环境，并按需切换

其实，以Debian为例，如果在安装系统时指定了根文件系统为BTRFS文件系统，Debian安装程序会贴心地为我们创建一个@rootfs子卷，而后每次启动电脑时，实际上都是将@rootfs子卷挂载成/节点。因此，以上步骤的前两步都已被自动完成。

似乎，我们只要解决第三步就行？但麻烦的也在这第三步。

GRUB的麻烦

回忆一下，Linux是如何确定自动挂载文件系统配置的？第一个想到的一定是/etc/fstab文件。

还是以Debian的为例，默认情况下，如果设置根文件系统为BTRFS，在/etc/fstab文件里面，我们可以找到类似于以下定义：

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# / was on /dev/sda1 during installation
UUID=12345678-1234-1234-5678-123456789012 /               btrfs   defaults,subvol=@rootfs 0       0

显然，这一句的意思是，将硬盘上的@rootfs子卷，挂载到/路径上。

那么接下来，我们似乎只要创建一个@rootfs的快照子卷，然后修改上面的fstab文件，把subvol=后面替换成新子卷名称，就可以实现快速切换了？

一开始我也是这么认为的，直到我安装完KDE桌面重启后，对着仍然黑麻麻的屏幕两眼发黑，我才意识到不对劲。

让我们瞄一眼/boot/grub/grub.cfg文件：

menuentry 'Debian GNU/Linux' --class debian --class gnu-linux --class gnu --class os $menuentry_id_option 'gnulinux-simple-12345678-1234-1234-5678-123456789012' {
        # ......
        insmod btrfs
        # ......
        echo    'Loading Linux 6.1.0-30-amd64 ...'
        linux   /@rootfs/boot/vmlinuz-6.1.0-30-amd64 root=UUID=12345678-1234-1234-5678-123456789012 ro rootflags=subvol=@rootfs  quiet
        echo    'Loading initial ramdisk ...'
        initrd  /@rootfs/boot/initrd.img-6.1.0-30-amd64
}

好吧……事实上根文件系统的子卷名称，是写入到了GRUB配置文件里的。在GRUB引导时，会按照/boot/grub/grub.cfg的配置查找子卷，然后加载该子卷中的系统。

而要修改GRUB配置，似乎就有点麻烦了。如果手动修改配置，需要在每次安装完驱动或更新内核后再手动调整一遍配置，极其麻烦且容易疏漏。而如果希望自动修改，又暂时没有好主意。

重命名子卷

修改GRUB配置的路子走不通，系统默认引导@rootfs子卷的行为有点难修改。既然如此，为什么我们不通过替换@rootfs子卷的方式，狸猫换太子呢！

安装基本系统

首先正常安装Debian基本系统，在配置分区的时候，为/挂载点分配一个BTRFS文件系统。

进行基础配置

安装完系统后，重启进入基本系统，进行必要的配置，安装一些在不同环境下都用得上的包。也就是准备一个基本系统的过程啦！

拍摄基础快照

重启进LiveCD，挂载BTRFS分区整个卷：

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mount /dev/sda1 /mnt
cd /mnt

我们给系统子卷@rootfs创建一个快照@sysbase（名字可以随意起），用于记录此刻基本系统的状态：

`1`	`btrfs subvolume snapshot @rootfs @sysbase`

如果希望基本系统内容不变，可以增加一个选项-r，以创建一个只读快照。

配置环境1

接着，重启电脑，按需要配置第一个环境，例如安装GNOME桌面等。

配置环境2

之后，如果我们想要从基本系统开始重新配置一个新环境，我们需要再次进入LiveCD，挂载BTRFS分区完整卷到/mnt下。

这回，我们需要把环境1，也就是现在的@rootfs先移到一边，也就是重命名一下。

`1`	`mv @rootfs @gnome-env`

现在，我们的硬盘上似乎只有两个子卷了：

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/mnt/
├── @gnome-env
└── @sysbase

我们现在想让系统回到基本系统，也就是回到@sysbase的状态。怎么做呢？我们可以，给@sysbase再创建一个快照，让这个快照成为新的@rootfs：

`1`	`btrfs subvolume snapshot @sysbase @rootfs`

接着重启电脑，我们就回到了基本系统状态，此时我们对系统的修改，就变成了我们的环境2。

还要更多环境！

如果还需要更多环境，只需要像配置环境2时一样，将当前@rootfs重命名一下，再从基本系统，或者任何一个其他快照，创建一个新的@rootfs快照，重启电脑，就可以创建新环境了。

而如果我们希望在环境之间切换，也非常简单，同样地，将当前@rootfs重命名为其他名字，再将想要切换的快照重命名成@rootfs，或者创建一个新@rootfs快照都行。

如果我们玩坏了环境，也不用完全重装系统，只需要将不想要的环境子卷删除，btrfs subvolume delete @broken-env，再选择一个好的环境为@rootfs即可。非常灵活！

💾几分钟能了解BTRFS吗？💾

Thu, 28 Nov 2024 16:00:00 +0800

安装相关组件

`1`	`sudo apt install btrfs-progs`

创建普通文件系统

`1`	`sudo mkfs.btrfs -L MyDisk /dev/sdxy`

创建RAID文件系统

`1`	`sudo mkfs.btrfs -f -d raid1 -m raid1 /dev/sdc1 /dev/sdd2`

-f: 强制执行，即无视指定分区上现存的文件系统。
-d raid1: 指定数据块存储模式。具体请参考官方手册RAID功能介绍。
-m raid1: 指定Metadata块存储模式。具体请参考官方手册RAID功能介绍。

在后面指定跨盘卷使用到的块设备即可。

设置卷名

`1`	`sudo btrfs filesystem label /dev/sdc1 MyData`

子卷(Subvolume)

创建子卷：

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# 假设主卷已经挂载到/mnt/mydata
sudo btrfs subvolume create /mnt/mydata/@mysubvol

命令行挂载子卷：

`1`	`sudo mount -o subvol=@mysubvol UUID=abcd1234-5678-90ab-cdef-1234567890ab /some/place/`

访问子卷内容：

# 可以挂载后访问：
sudo mount -o subvol=... UUID=... /some/place/
cd /some/place/

# 当然还可以直接从卷根挂载点访问
cd /mnt/mydata/@mysubvol

快速问答

Q: 子卷是啥？

A: 就理解成BTRFS文件系统下，一个可以独立挂载，独立快照，独立操作的子文件夹吧。（尽管内部实现显然不是这样）

Q: 为啥子卷名称前面有个@符号？

A: 似乎是约定俗成，换成其他符号也行，不用也行。参阅Re: btrfs subvolume naming scheme.

Q: fstab中如何使用子卷？

A: 看下文。

挂载(fstab)

BTRFS文件系统的挂载和其他文件系统别无二致。

在使用块设备挂载RAID卷时，只需要指定其中一个块设备，就可以完成挂载。

不过，在/etc/fstab中设置挂载点，尤其是跨盘卷时，建议使用UUID进行挂载。

查看UUID:

# Recommended
sudo btrfs filesystem show

# OR
sudo blkid

# OR
ls -lha /dev/disk/by-uuid/

注意我们需要的是整个BTRFS卷的UUID，在RAID中不是某个单一块设备的PARTUUID。

接着编辑/etc/fstab:

最简单的：

`1`	`UUID=abcd1234-5678-90ab-cdef-1234567890ab /mnt/mydata btrfs defaults 0 0`

RAID也是一样：

`1`	`UUID=abcd1234-5678-90ab-cdef-1234567890ab /mnt/mydata btrfs defaults 0 0`

挂载子卷（注意这里使用的UUID仍然是主卷的UUID，不要与PARTUUID混淆）：

`1`	`UUID=abcd1234-5678-90ab-cdef-1234567890ab /media/mysubvol/ btrfs defaults,subvol=@mysubvol 0 0`

我喜欢的外挂硬盘挂载选项，可以在硬盘缺失时自动跳过检查：

`1`	`UUID=abcd1234-5678-90ab-cdef-1234567890ab /media/mysubvol/ btrfs defaults,subvol=@mysubvol,nofail,x-systemd.automount,x-systemd.device-timeout=3 0 0`

查看磁盘空间占用

需要注意，系统的du命令输出中，BTRFS的空间统计信息并不总是准确的。

`1`	`sudo btrfs filesystem df /mnt/mydata`

全盘检错

BTRFS的一大特色就是自动化的错误检测。

在BTRFS的Checksum Tree里，保存着整个文件系统中包括Metadata块与数据块的Checksum，而在每次读取这些数据时，BTRFS会自动进行校验，进而发现硬盘数据存在的错误。

不过，有时我们还希望主动执行检查，校验硬盘上的数据是否发生了损坏。那么我们可以这么做：

`1`	`sudo btrfs scrub start /mnt/mydata`

上面一条命令将会启动一个后台检查任务，检查整个文件系统存在的错误。对于RAID系统，检查会在多块磁盘上并行进行。

如果发现了数据错误且配置了RAID等数据冗余，BTRFS将会自动尝试从好数据中恢复损坏的数据。如果只是想查错，不希望BTRFS自动纠错，可以用-r参数指定只读模式运行。

开始检查后，可以用以下命令读取检查进度与报告：

`1`	`sudo btrfs scrub status /mnt/mydata`

查询读写错误发生次数

`1`	`sudo btrfs device stats /mnt/mydata`