BTRFS文件系统

Btrfs（通常念成Butter FS），由Oracle于2007年宣布并进行中的COW(copy-on-write式)文件系统。目标在取代Linux目前的ext3文件系统，改善ext3的限制，特别是单一文件的大小，总文件系统大小及加入文件校验和。加入目前ext3/4未支援的功能，例如可写的磁盘快照(snapshots)，以及支持递归的快照(snapshots of snapshots)，内建磁盘阵列（RAID）支援，支持子卷(Subvolumes)的概念，支持在线调整文件系统大小。

简介
　　Btrfs宣称专注在“容错、修复与易于管理”。 　　Btrfs已在2010年10月推出的ubuntu10.10中得到了应用. 　　Btrfs也已在2010年7月推出的openSUSE11.3中得到了应用. 　　2011年6月8日，在Fedora工程指导委员会会议上，委员会决定Fedora 16将以Btrfs作为默认文件系统.

特性
　　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。

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。
　　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。
　　FS 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。

针对 SSD 的优化支持
　　SSD 是固态存储 Solid State Disk 的简称。在过去的几十年中，CPU/RAM 等器件的发展始终遵循着摩尔定律，但硬盘 HDD 的读写速率却始终没有飞跃式的发展。磁盘 IO 始终是系统性能的瓶颈。
　　SSD 采用 flash memory 技术，内部没有磁盘磁头等机械装置，读写速率大幅度提升。 flash memory 有一些不同于 HDD 的特性。 flash 在写数据之前必须先执行擦除操作；其次，flash 对擦除操作的次数有一定的限制，在目前的技术水平下，对同一个数据单元最多能进行约 100 万次擦除操作，因此，为了延长 flash 的寿命，应该将写操作平均到整个 flash 上。
　　SSD 在硬件内部的微代码中实现了 wear leveling 等分布写操作的技术，因此系统无须再使用特殊的 MTD 驱动和 FTL 层。虽然 SSD 在硬件层面做了很多努力，但毕竟还是有限。文件系统针对 SSD 的特性做优化不仅能提高 SSD 的使用寿命，而且能提高读写性能。 Btrfs 是少数专门对 SSD 进行优化的文件系统。 btrfs 用户可以使用 mount 参数打开对 SSD 的特殊优化处理。
　　Btrfs 的 COW 技术从根本上避免了对同一个物理单元的反复写操作。如果用户打开了 SSD 优化选项，btrfs 将在底层的块空间分配策略上进行优化：将多次磁盘空间分配请求聚合成一个大小为 2M 的连续的块。大块连续地址的 IO 能够让固化在 SSD 内部的微代码更好的进行读写优化，从而提高 IO 性能。