介紹

文件系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機的基礎之一。它是任何操作系統(tǒng)必不可少的一部分，且通常不為人注意。但是，像 Btrfs 這樣的現(xiàn)代文件系統(tǒng)提供了許多很棒的特性，使計算機的使用更加方便。例如，它可以無感地為你壓縮文件，或者為增量備份建立可靠的基礎。

這篇文章將帶你高屋建瓴地了解 Btrfs 文件系統(tǒng)是如何工作的，有什么特性。本文既不會過多涉及技術細節(jié)，也不會研究其底層實現(xiàn)，系列后續(xù)的文章會詳細介紹一些重要特性。

什么是文件系統(tǒng)

如果你基本了解過文件系統(tǒng)是如何工作的，那么下面的內容對你應該是不陌生的，你可以直接跳到下一節(jié)。否則，請先閱讀下面對文件系統(tǒng)的簡短介紹。

簡單來說，文件系統(tǒng)允許你的 PC 去尋找存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)。這聽起來像是微不足道的工作，但實際上時至今日各種類型的非易失性存儲設備（比如機械硬盤、固態(tài)硬盤、SD 卡等等）仍然與 1970 年代 PC 被發(fā)明時基本相同：一個（巨大的）存儲塊集合。

“塊Block” 是最小的可尋址存儲單元。PC 上的每個文件內容被存儲在多個塊中。一個塊通常是 4096 字節(jié)的大小。這取決于你的硬件和在這之上的軟件（即文件系統(tǒng)）。

文件系統(tǒng)允許我們從海量的存儲塊中查找文件的內容，這是通過所謂的 inode

下面是 inode 的示意圖：

A text file “myfile.txt” and a hypothetical example of its representation on disk. All the squares are individual storage blocks.

inode 的結構對文件系統(tǒng)的功能有巨大的影響，因此它是各種文件系統(tǒng)諸多的重要數(shù)據(jù)結構之一。出于這個原因，每個文件系統(tǒng)有各自的 inode 結構。如果你想了解更多信息，看看下面 鏈接 關于 Btrfs 文件系統(tǒng) inode 結構的內容。如需更詳細地了解各個字段的含義，你可以 參考 ext4 文件系統(tǒng)的 inode 結構。

寫時復制（CoW）文件系統(tǒng)

相比 ext4，Btrfs 擁有的杰出特性之一是，它是一個 寫時復制Copy-on-Write（CoW）文件系統(tǒng)。當一個文件被改變和回寫磁盤，它不會故意寫回它原來的位置，而是被復制和存儲在磁盤上的新位置。從這個意義上，可以簡單地認為 Cow 是一種 “重定向”，因為文件寫入被重定向到不同的存儲塊上。

這聽起來很浪費，但實際上并不是。這是因為被修改的數(shù)據(jù)無論如何一定會被寫到磁盤上，不管文件系統(tǒng)是如何工作的。Btrfs 僅僅是確保了數(shù)據(jù)被寫入在之前沒被占據(jù)的塊上，所以舊數(shù)據(jù)保持完整。唯一真正的缺點就是這種行為會導致文件碎片化比其他文件系統(tǒng)要快。在日常的電腦使用中，你不太可能會注意到這點差異。

CoW 的優(yōu)勢在哪里？簡單的說：文件被修改和編輯的歷史被保存了下來。Btrfs 保存文件舊版本的引用（inode）可以輕易地被訪問。這個引用就是快照：文件系統(tǒng)在某個時間點的狀態(tài)鏡像。這將是這系列文章里的單獨的一篇，所以暫時留到后面介紹。

除了保存文件歷史，CoW 文件系統(tǒng)永遠處于一致的狀態(tài)，即使之前的文件系統(tǒng)事務（比如寫入一個文件）由于斷電等原因沒有完成。這是因為文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)更新也是寫時復制的：文件系統(tǒng)本身永遠不會被覆寫，所以中斷不會使其處于部分寫入的狀態(tài)。

對文件的寫時復制

你可以將文件名視為對 inode 的指針。在寫入文件的時候，Btrfs 創(chuàng)建一個被修改文件內容（數(shù)據(jù)）的拷貝，和一個新的 inode（元數(shù)據(jù)），然后讓文件名指向新的 inode，舊的 inode 保持不變。下面是一個假設示例來闡述這點：

Continuation of the example above: 3 more bytes of data were added

這里 myfile.txt 增加了三個字節(jié)。傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)會更新中間的 Data 塊去包含新的內容。CoW 文件系統(tǒng)不會改變舊的數(shù)據(jù)塊（圖中灰色），寫入（復制）更改的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)在新的地方。值得注意的是，只有被改變的數(shù)據(jù)塊被復制，而不是全部文件。

如果沒有空閑的塊去寫入新內容，Btrfs 將從被舊文件版本占據(jù)的數(shù)據(jù)塊中回收空間（除非它們是快照的一部分，本系列后續(xù)文章會看到）。

對目錄的寫時復制

從文件系統(tǒng)的角度看，目錄只是特殊類型的文件。與常規(guī)文件不同，文件系統(tǒng)直接解釋數(shù)據(jù)塊的內容。一個目錄有自身的元數(shù)據(jù)（inode，就像上面說的文件一樣）去記錄訪問權限或修改時間。最簡單的形式，存在目錄里的數(shù)據(jù)（被叫作目錄項）是一個 inode 引用的列表，每個 inode 又是另外的文件或目錄。但是，現(xiàn)代文件系統(tǒng)在目錄項中至少會存儲一個文件名和對應的 inode 引用。

之前已經指出，寫入一個文件會創(chuàng)建之前 inode 的副本，并相應修改其內容。從根本上，這產生了一個和之前無關的新的 inode 。為了讓被修改的文件對文件系統(tǒng)可見，所有包含這個文件引用的目錄項都會被更新。

這是一個遞歸的過程！因為一個目錄本身是一個帶有 inode 的文件。修改目錄里的任何一項都會為這個目錄文件創(chuàng)建新的 inode 。這會沿著文件系統(tǒng)樹遞歸直到文件系統(tǒng)的根。

所以，只要保留對任何舊目錄的引用，并且這些目錄沒有被刪除和覆寫，就可以遍歷之前舊狀態(tài)的文件系統(tǒng)樹。這就是快照的功能。

后續(xù)文章可以期待的內容

Btrfs 不只是一個 Cow 文件系統(tǒng)。它目標是實現(xiàn)高級特性的同時關注容錯、修復和易于管理（參見 文檔）。本系列未來的文章將會專門介紹這些特性。

• 子卷 – 文件系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)
• 快照 – 回到過去
• 壓縮 – 透明節(jié)省存儲空間
• 配額組 – 限制文件系統(tǒng)大小
• RAID – 替代 mdadm 配置

這遠非 Btrfs 特性的詳盡列表。如果你想全面地了解可用特性，查看 維基 和 文檔。

總結

我希望我已能激起你進一步了解計算機文件系統(tǒng)的興趣。如果目前你有任何疑問，請在評論區(qū)留言討論以便在日后文章中探討，同時，你也可以自行學習文中提供的相關資源。如果你發(fā)現(xiàn) Btrfs 中某項特別有趣的功能，也歡迎在評論區(qū)提出。如果某個主題收到足夠的關注，我可能會在系列文章中新增相關內容。下一篇文章再見！