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，能够显着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。
扩展性相关的特性
B-Tree
btrfs 文件系统中所有的 metadata 都由 BTree 管理。使用 BTree 的主要好处在于查找，插入和删除操作都很高效。可以说 BTree 是 btrfs 的核心。
一味地夸耀 BTree 很好很高效也许并不能让人信服，但假如稍微花费一点儿时间看看 ext2/3 中元数据管理的实现方式，便可以反衬出 BTree 的优点。
妨碍 ext2/3 扩展性的一个问题来自其目录的组织方式。目录是一种特殊的文件，在 ext2/3 中其内容是一张线性表格。如图 1-1 所示 [6]：
图 1. ext2 directory [6]图 1 展示了一个 ext2 目录文件的内容，该目录中包含四个文件。分别是 “home1″，”usr”，”oldfile” 和 “sbin” 。如果需要在该目录中查找目录 sbin，ext2 将遍历前三项，直至找到 sbin 这个字符串为止。
这种结构在文件个数有限的情况下是比较直观的设计，但随着目录下文件数的增加，查找文件的时间将线性增长。 2003 年，ext3 设计者开发了目录索引技术，解决了这个问题。目录索引使用的数据结构就是 BTree 。如果同一目录下的文件数超过 2K，inode 中的 i_data 域指向一个特殊的 block 。在该 block 中存储着目录索引 BTree 。 BTree 的查找效率高于线性表，
但为同一个元数据设计两种数据结构总是不太优雅。在文件系统中还有很多其他的元数据，用统一的 BTree 管理是非常简单而优美的设计。
Btrfs 内部所有的元数据都采用 BTree 管理，拥有良好的可扩展性。 btrfs 内部不同的元数据由不同的 Tree 管理。在 superblock 中，有指针指向这些 BTree 的根。如图 2 所示：
图 2. btrfs btreeFS Tree 管理文件相关的元数据，如 inode，dir 等； Chunk tree 管理设备，每一个磁盘设备都在 Chunk Tree 中有一个 item ； Extent Tree 管理磁盘空间分配，btrfs 每分配一段磁盘空间，便将该磁盘空间的信息插入到 Extent tree 。查询 Extent Tree 将得到空闲的磁盘空间信息； Tree of tree root 保存很多 BTree 的根节点。比如用户每建立一个快照，btrfs 便会创建一个 FS Tree 。为了管理所有的树，btrfs 采用 Tree of tree root 来保存所有树的根节点； checksum Tree 保存数据块的校验和。
基于 Extent 的文件存储
现代很多文件系统都采用了 extent 替代 block 来管理磁盘。 Extent 就是一些连续的 block，一个 extent 由起始的 block 加上长度进行定义。
Extent 能有效地减少元数据开销。为了进一步理解这个问题，我们还是看看 ext2 中的反面例子。
ext2/3 以 block 为基本单位，将磁盘划分为多个 block 。为了管理磁盘空间，文件系统需要知道哪些 block 是空闲的。 Ext 使用 bitmap 来达到这个目的。 Bitmap 中的每一个 bit 对应磁盘上的一个 block，当相应 block 被分配后，bitmap 中的相应 bit 被设置为 1 。这是很经典也很清晰的一个设计，但不幸的是当磁盘容量变大时，bitmap 自身所占用的空间也将变大。这就导致了扩展性问题，随着存储设备容量的增加，bitmap 这个元数据所占用的空间也随之增加。而人们希望无论磁盘容量如何增加，元数据不应该随之线形增加，这样的设计才具有可扩展性。
下图比较了 block 和 extent 的区别：
图 3. 采用 extent 的 btrfs 和采用 bitmap 的 ext2/3在 ext2/3 中，10 个 block 需要 10 个 bit 来表示；在 btrfs 中则只需要一个元数据。对于大文件，extent 表现出了更加优异的管理性能。
Extent 是 btrfs 管理磁盘空间的最小单位，由 extent tree 管理。 Btrfs 分配 data 或 metadata 都需要查询 extent tree 以便获得空闲空间的信息。
动态 inode 分配
为了理解动态 inode 分配，还是需要借助 ext2/3 。下表列举了 ext2 文件系统的限制：
表 1. ext2 限制限制 最大文件数量 文件系统空间大小 V / 8192比如 100G 大小的文件系统中，能创建的文件个数最大为 131072图 4 显示了 ext2 的磁盘布局：
图 4. ext2 layout在 ext2 中 inode 区是被预先固定分配的，且大小固定，比如一个 100G 的分区中，inode table 区中只能存放 131072 个 inode，这就意味着不可能创建超过 131072 个文件，因为每一个文件都必须有一个唯一的 inode 。
为了解决这个问题，必须动态分配 inode 。每一个 inode 只是 BTree 中的一个节点，用户可以无限制地任意插入新的 inode，其物理存储位置是动态分配的。所以 btrfs 没有对文件个数的限制。
[1][2][3]
要知道，当你一直在担心错过了什么的时候，其实你已经错过了旅行的意义。
