Btrfs 进阶与透明压缩

你已经知道“文件系统负责组织文件”，但 Btrfs 还把压缩、子卷和空间核算放进了同一个文件系统。它们很有用，也很容易被几个相似的词误导：子卷不是分区，快照不是备份，开启压缩也不会自动重写旧数据。

本文只解决三件事：透明压缩、以 @/@home 为核心的子卷布局，以及 qgroup（quota group）空间配额。快照策略、发送接收和多设备 RAID 不在本文范围内。

1. 先建立准确模型

Btrfs 是写时复制（Copy-on-Write，CoW）文件系统。修改已有数据时，它通常写入新 extent（区段）并更新引用，而不是原地覆盖。这个机制让多个子卷或快照共享 extent，也让“实际占用多少空间”比传统目录求和更复杂。

可以把一个 Btrfs 文件系统想成一座共享仓库：子卷是不同的取货入口，压缩决定新货物怎样打包，qgroup 记录每个入口能引用和独占多少货物。这个比喻的边界是：子卷没有独占块设备容量，除非另用 qgroup 施加限制；它也不是 LVM 逻辑卷。

2. 先只读观察当前系统

以下命令不修改文件系统。先确认根目录是否真是 Btrfs，再讨论配置：

findmnt -no SOURCE,FSTYPE,OPTIONS /
findmnt -t btrfs -o TARGET,SOURCE,FSTYPE,OPTIONS
uname -r
sudo btrfs version

如果 findmnt 显示根目录的 FSTYPE 是 btrfs，再读取其用量和子卷：

sudo btrfs filesystem usage /
sudo btrfs subvolume list /

如果根目录不是 btrfs，不要对 / 运行这两条命令；仍可完成一次性镜像练习。SOURCE 可能是 /dev/mapper/...，不要假定它一定是某个 NVMe 或 SATA 分区。

还要记住一个容易忽略的边界：compress 等多数 Btrfs 专用挂载选项作用于整个文件系统，同一文件系统的多个子卷挂载并不能可靠地各用一套不同压缩算法。

3. 透明压缩：只影响新写入的数据

Btrfs 在 extent 写入时压缩，在读取时透明解压；应用看到的仍是原始内容。截至 2026-07，上游支持 ZLIB、LZO 和 ZSTD：

compress=zstd:3 会使用启发式判断，避免反复处理明显不可压缩的数据。compress-force 会尝试更多数据，但最终比原始数据更大的块仍会以未压缩形式存储；上游并不把强制模式作为通用推荐。

3.1 修改 fstab 前后的完整安全闭环

只有当根文件系统已经是 Btrfs、备份已验证且救援介质可用时，才考虑这一步。先探测真实 UUID 和当前配置：

root_source="$(findmnt -no SOURCE /)"
root_uuid="$(findmnt -no UUID /)"
findmnt -no SOURCE,UUID,FSTYPE,FSROOT,OPTIONS /
printf 'source=%s\nuuid=%s\n' "$root_source" "$root_uuid"
sudo findmnt --verify --verbose

如果 root_uuid 为空，或 fstab 使用的是 LUKS 映射、LABEL、PARTUUID 等另一种稳定标识，停下并查阅本发行版的存储布局；不要猜 UUID，也不要擅自改变安装器原本的标识方式。

风险：错误的设备标识、子卷名或选项可能让下次启动无法挂载根文件系统。语法验证也不能证明设备在下次启动时一定可用。

先备份并记录当前状态：

backup="/etc/fstab.bak.$(date +%Y%m%d-%H%M%S)"
sudo cp --preserve=all /etc/fstab "$backup"
findmnt -no SOURCE,FSTYPE,OPTIONS / | tee "$HOME/btrfs-root-before.txt"
printf '%s\n' "$backup"

然后使用 sudoedit /etc/fstab，只在已经确认的 Btrfs 行的第四字段加入 compress=zstd:3。结构示例如下，<btrfs-uuid> 必须替换为刚才探测到的值：

UUID=<btrfs-uuid>  /  btrfs  defaults,compress=zstd:3,subvol=@  0  0

保存后先验证，不要为了“试试看”直接重启：

sudo findmnt --verify --verbose

预期结果是没有 parse error、unknown option 或无法解析的 source。若验证失败，立即恢复：

sudo cp --preserve=all "$backup" /etc/fstab
sudo findmnt --verify --verbose

验证通过只表示配置内部一致。应在有救援条件的计划维护窗口重启，再用下面的命令确认运行时选项：

findmnt -no FSTYPE,OPTIONS /

若启动失败，从救援环境挂载根文件系统，将备份复制回 /etc/fstab；不同发行版的根子卷挂载方式不同，因此应在改动前记录真实 SOURCE、UUID 与 subvol。

3.2 为什么旧文件没有立刻变小

挂载选项只影响之后的新写入；现有 extent 不会自动重写。compsize <path> 可估算实际压缩情况，但它是额外工具，未安装时不要把“逻辑大小变小”当成验证方法。

可以用 btrfs filesystem defragment -c... 重写存量文件并压缩，但这会产生大量 I/O，而且不会保留 reflink/快照间的 extent 共享，磁盘占用可能明显增加。不要对整个根目录盲目执行递归 defrag；若确有迁移需求，先在副本和容量充足的测试环境中评估。

4. @ / @home：布局约定，不是硬性标准

平铺布局把多个子卷直接放在 top-level 下。@ 挂载为 /、@home 挂载为 /home 是 Ubuntu/Arch 社区工具中常见的命名约定，不是 Btrfs 协议要求。额外拆分子卷会形成快照边界：快照 @ 时不会递归包含嵌套或单独挂载的 @home。

subvolid=5
├── @           -> /
├── @home       -> /home
├── @snapshots  -> /.snapshots（按快照工具需要选择）
├── @cache      -> /var/cache（可选）
└── @log        -> /var/log（可选）

@cache 和 @log 是否拆分取决于你希望系统回滚时保留什么。拆出去意味着根快照不包含其内容，也意味着备份工具需要单独覆盖它们。

4.1 在一次性镜像中创建布局

下面的操作会格式化文件，但目标只允许是新建的 /tmp/btrfs-lab.img。不要把 loopdev 替换成真实磁盘。

探测与停止条件：系统需要 btrfs-progs、losetup 和 root 权限；如果镜像文件已经存在，先停下确认它不是你的数据。

command -v mkfs.btrfs
command -v losetup
test ! -e /tmp/btrfs-lab.img

创建一次性镜像并记录内核分配的 loop 设备：

truncate -s 1G /tmp/btrfs-lab.img
loopdev="$(sudo losetup --find --show --nooverlap /tmp/btrfs-lab.img)"
printf 'loop device: %s\n' "$loopdev"
sudo lsblk -f "$loopdev"
sudo mkfs.btrfs -L btrfs-lab "$loopdev"
mnt="$(mktemp -d /tmp/btrfs-lab.XXXXXX)"
sudo mount "$loopdev" "$mnt"

预期 mkfs.btrfs 显示标签 btrfs-lab，且 findmnt "$mnt" 能看到刚才记录的 loop 设备。随后创建与布局图一致的五个子卷：

for name in @ @home @snapshots @cache @log; do
  sudo btrfs subvolume create "$mnt/$name"
done
sudo btrfs subvolume list "$mnt"

验收输出应包含五个路径。若中途失败，不要重复格式化；先记录 btrfs subvolume list "$mnt"，再决定补建缺少的子卷。清理和回滚见第 6 节统一步骤。

如果 mkfs.btrfs 或首次挂载失败，先保存错误输出；已挂载时正常卸载，然后分离刚才打印的 loopdev，再删除空挂载目录和镜像文件。不要在失败后把命令目标换成真实设备。

真实系统的持久挂载还需为每个目标创建目录，并在 fstab 中用真实 UUID 配置 subvol=@home 等。不要从本文复制一个虚构设备名覆盖安装器生成的布局。

5. qgroup：给子卷核算并限制空间

qgroup 用 referenced 与 exclusive 处理共享 extent 的记账问题。Level 0 qgroup 通常与子卷 ID 对应，例如 0/257。限制 referenced 空间意味着达到上限后的写入可能收到 Quota Exceeded；它不是“自动清理”机制。

继续使用第 4 节的一次性镜像。先记录未启用时的状态，再改变状态：

sudo btrfs qgroup show "$mnt"
sudo btrfs quota enable "$mnt"
sudo btrfs quota rescan -w "$mnt"
sudo btrfs qgroup show -re --sync "$mnt"

第一次 qgroup show 可能报告 quota 未启用；启用并等待 rescan 后，应看到与子卷对应的 0/<id>。为 @home 设置 64 MiB referenced 上限：

sudo btrfs qgroup limit 64M "$mnt/@home"
sudo btrfs qgroup show -re --sync "$mnt"

验证时找到 @home 行，确认 max_rfer 为约 64 MiB。若命令警告 qgroup 数据 inconsistent：

sudo btrfs quota rescan -w "$mnt"
sudo btrfs qgroup show -re --sync "$mnt"

解除单个限制使用 none，不是删除子卷：

sudo btrfs qgroup limit none "$mnt/@home"
sudo btrfs qgroup show -re --sync "$mnt"

若决定完全撤销该文件系统的 quota 功能：

sudo btrfs quota disable "$mnt"

这会移除 qgroup 配置与统计；在真实系统执行前，应先记录所有限制，因为关闭后不能自动还原它们。

6. 安全清理实验环境

先确认变量仍指向 /tmp 的实验挂载和 loop 设备，再卸载：

findmnt "$mnt"
sudo losetup --list "$loopdev"
sudo umount "$mnt"
sudo losetup --detach "$loopdev"
rmdir "$mnt"
rm /tmp/btrfs-lab.img
test ! -e /tmp/btrfs-lab.img && echo "lab cleaned"

预期最终输出 lab cleaned。若 umount 报 target is busy，不要强制删除镜像；先运行 findmnt -R "$mnt" 和 fuser -vm "$mnt" 找出仍在使用它的进程，关闭相关终端或程序后再卸载。

7. 常见故障：先诊断再修复

如果文件系统突然只读、出现 I/O error，或底层设备报告介质错误，应停止写入，保存 dmesg 与 btrfs device stats 证据，并转到专门的文件系统救援流程；不要用 btrfs check --repair 试错。

8. 可观察练习

9. 小结与下一站

你现在应该能解释：压缩策略针对新写入 extent；@/@home 是共享同一空间池的子卷约定；qgroup 通过 referenced/exclusive 处理共享 extent 的核算。更重要的是，你能先识别真实文件系统，再在一次性镜像里验证、撤销和清理，而不是拿工作系统试错。

下一篇阅读 磁盘方案进阶（LVM/LUKS）：它会把视角下移到块设备抽象与静态数据加密，并说明它们与文件系统的层级关系。

核验资料（截至 2026-07）

• Btrfs 官方文档：Compression
• Btrfs 官方文档：Subvolumes
• Btrfs 官方文档：Quota groups
• Btrfs 官方手册：btrfs-qgroup(8)
• Btrfs 官方文档：Defragmentation

修订记录