Arch Linux 与 Btrfs：打造灵活高效的文件系统方案

目录#

1. 简介
2. 什么是 Btrfs？
3. 为什么选择 Arch Linux + Btrfs？
4. 准备工作
5. 磁盘分区规划
6. 格式化与子卷配置
7. 安装 Arch Linux 到 Btrfs 分区
8. 系统配置与 fstab 设置
9. 快照管理：系统备份与恢复
10. 日常维护与优化
11. 常见问题与解决方案
12. 最佳实践总结
13. 参考资料

1. 简介#

Arch Linux 以其轻量、灵活和滚动更新的特性深受 Linux 爱好者青睐，而 Btrfs（B-tree File System）作为新一代文件系统，凭借写时复制（CoW）、快照、子卷、压缩等高级特性，正逐渐成为系统盘的理想选择。本文将详细介绍如何在 Arch Linux 中部署 Btrfs，从分区规划到快照管理，帮助你构建一个兼顾性能与可靠性的系统。

2. 什么是 Btrfs？#

Btrfs 是由 Oracle 主导开发的开源文件系统，设计目标是解决传统文件系统（如 Ext4）的局限性。其核心特性包括：

• 写时复制（Copy-on-Write, CoW）：修改文件时不直接覆盖原数据，而是写入新位置，避免数据损坏风险。
• 子卷（Subvolume）：将一个 Btrfs 分区划分为多个独立“逻辑卷”，可独立挂载、快照和管理。
• 快照（Snapshot）：基于 CoW 实现的高效备份，创建/删除快照几乎瞬时完成，且仅占用变化数据的空间。
• 透明压缩：支持 zstd、lz4 等算法，减少磁盘占用并提升 I/O 效率（尤其对 SSD）。
• 校验与修复：支持数据和元数据校验（checksum），配合 btrfs scrub 可检测并修复错误。
• 动态调整：支持在线调整分区大小、添加/移除设备（如 RAID 扩展）。

Btrfs 的设计哲学是“特性丰富且实用”，特别适合需要频繁备份、动态管理存储的场景（如 Arch 滚动更新系统）。

3. 为什么 Arch Linux + Btrfs？#

Arch Linux 作为滚动发行版，用户需频繁更新系统，而 Btrfs 的快照功能可完美应对更新失败的风险。此外，两者的“灵活性”高度契合：

• 快照恢复：更新前创建快照，若系统崩溃可一键回滚，降低“滚挂”风险。
• 空间效率：CoW 和压缩特性减少磁盘占用，适合 SSD 或小容量硬盘。
• 动态管理：子卷功能替代传统分区，无需重启即可调整“逻辑分区”大小。
• 性能优化：通过压缩和缓存机制，Btrfs 在多数场景下性能优于 Ext4（尤其小文件读写）。

4. 准备工作#

在开始前，请确保：

4.1 环境要求#

• Arch Linux 安装镜像：从 Arch 官网 下载最新 ISO。
• 启动介质：使用 dd 或 Rufus 将 ISO 写入 U 盘（例：dd if=archlinux.iso of=/dev/sdX bs=4M status=progress）。
• 目标硬盘：至少 20GB 空间（推荐 SSD，发挥 Btrfs 压缩和 TRIM 优势）。
• 网络连接：安装过程需联网（有线优先，无线可通过 iwctl 配置）。
• UEFI/BIOS：确认启动模式（推荐 UEFI，需关闭 Secure Boot）。

4.2 工具准备#

启动 Arch live 环境后，安装必要工具：

# 更新系统时钟
timedatectl set-ntp true
 
# 安装分区工具（可选，根据习惯选择）
pacman -Sy parted gdisk btrfs-progs

5. 磁盘分区规划#

Btrfs 支持直接使用整个磁盘或分区，但通常需配合引导分区（如 EFI 分区）。以下以 UEFI 模式 + 单硬盘 为例，分区方案如下：

5.1 分区操作（以 gdisk 为例）#

1. 启动 gdisk 并选择目标磁盘：

   gdisk /dev/sda

2. 按 o 创建新分区表（警告：会清除数据！）。
3. 创建 EFI 分区：
   • 按 n → 分区号 1 → 起始扇区默认 → 大小 +512M → 类型代码 ef00（EFI System）。
4. 创建 Btrfs 分区：
   • 按 n → 分区号 2 → 起始扇区默认 → 大小默认（剩余空间）→ 类型代码 8300（Linux filesystem）。
5. 按 w 保存并退出。

5.2 格式化分区#

• 格式化 EFI 分区：

  mkfs.fat -F32 /dev/sda1

• 暂不格式化 Btrfs 分区：后续将通过 mkfs.btrfs 详细配置。

6. 格式化与子卷配置#

Btrfs 的核心优势在于子卷，合理规划子卷可提升系统管理效率。以下是推荐的子卷结构：

6.1 格式化 Btrfs 分区#

使用 mkfs.btrfs 格式化分区，指定元数据和数据配置（非 RAID 场景）：

# -m single：元数据单副本；-d single：数据单副本（适合单盘）
# -L "ArchBtrfs"：卷标（可选）
mkfs.btrfs -m single -d single -L "ArchBtrfs" /dev/sda2

6.2 创建子卷#

1. 临时挂载 Btrfs 分区到 /mnt：

   mount /dev/sda2 /mnt

2. 创建子卷：

   btrfs subvolume create /mnt/@          # 根目录
   btrfs subvolume create /mnt/@home      # 用户数据
   btrfs subvolume create /mnt/@var       # 日志缓存
   btrfs subvolume create /mnt/@snapshots # 快照存储
   btrfs subvolume create /mnt/@tmp       # 临时文件

3. 卸载临时挂载点：

   umount /mnt

7. 安装 Arch Linux#

7.1 挂载子卷到目标目录#

按子卷规划挂载到 /mnt（安装根目录）：

# 挂载根目录子卷 @
mount -o subvol=@,compress=zstd,noatime,space_cache=v2,discard=async /dev/sda2 /mnt
 
# 创建其他挂载点并挂载子卷
mkdir -p /mnt/{home,var,snapshots,tmp,boot/efi}
mount -o subvol=@home,compress=zstd,noatime,space_cache=v2,discard=async /dev/sda2 /mnt/home
mount -o subvol=@var,compress=zstd,noatime,space_cache=v2,discard=async /dev/sda2 /mnt/var
mount -o subvol=@snapshots,noatime,space_cache=v2 /dev/sda2 /mnt/snapshots  # 快照无需压缩
mount -o subvol=@tmp,noatime,space_cache=v2 /dev/sda2 /mnt/tmp              # 临时文件无需压缩
 
# 挂载 EFI 分区
mount /dev/sda1 /mnt/boot/efi

挂载参数说明：

• subvol=@：指定挂载的子卷。
• compress=zstd：启用 zstd 压缩（比 lzo 压缩率更高，性能接近）。
• noatime：禁用文件访问时间记录（减少写入）。
• space_cache=v2：优化空间分配缓存（推荐）。
• discard=async：异步 TRIM（SSD 必选，延长寿命）。

7.2 安装基础系统#

使用 pacstrap 安装 Arch 基础包（包含 Btrfs 工具）：

pacstrap /mnt base linux linux-firmware btrfs-progs # 基础系统 + Btrfs 工具
pacstrap /mnt base-devel networkmanager sudo # 开发工具、网络管理、sudo

7.3 生成 fstab#

将当前挂载配置写入 /etc/fstab（自动处理子卷和挂载参数）：

genfstab -U /mnt >> /mnt/etc/fstab

检查 fstab：编辑 /mnt/etc/fstab，确保子卷和参数正确（例：/dev/sda2 的挂载项应包含 subvol=@ 等）。

8. 系统配置与 fstab 优化#

8.1 进入 chroot 环境#

arch-chroot /mnt

8.2 基础配置#

设置时区、本地化、主机名等（参考 Arch 安装指南），此处省略常规步骤，重点关注 Btrfs 相关优化。

8.3 fstab 微调#

默认 genfstab 已包含必要参数，但可进一步优化：

# 编辑 fstab
nvim /etc/fstab

• 为 @tmp 添加 tmpfs 选项（可选，将 tmp 挂载为内存文件系统）：

  # 原 @tmp 行替换为：
  tmpfs /tmp tmpfs defaults,noatime,mode=1777 0 0

• 为 SSD 添加 discard=async（已在挂载时设置，fstab 中确认存在）。

8.4 安装引导程序#

以 systemd-boot 为例（UEFI 推荐）：

# 安装 systemd-boot 到 EFI 分区
bootctl install
 
# 创建引导项配置
nvim /boot/loader/entries/arch.conf

添加以下内容（注意 rootflags=subvol=@ 指定根目录子卷）：

title   Arch Linux (Btrfs)
linux   /vmlinuz-linux
initrd  /initramfs-linux.img
options root=UUID=<Btrfs 分区 UUID> rootflags=subvol=@ rw quiet splash

UUID 可通过 blkid /dev/sda2 获取。

9. 快照管理：系统备份与恢复#

快照是 Btrfs 的“灵魂”，推荐使用 snapper 工具自动化管理。

9.1 安装与配置 snapper#

# 安装 snapper
pacman -S snapper
 
# 为根目录子卷创建快照配置
snapper -c root create-config /

配置调整：编辑 /etc/snapper/configs/root，设置快照保留策略：

TIMELINE_CREATE="yes"       # 启用定时快照
TIMELINE_CLEANUP="yes"      # 启用自动清理
TIMELINE_MIN_AGE="1800"     # 最小保留时间（秒）
TIMELINE_LIMIT_HOURLY="5"   # 保留 5 个每小时快照
TIMELINE_LIMIT_DAILY="7"    # 7 个每日快照
TIMELINE_LIMIT_WEEKLY="4"   # 4 个每周快照

9.2 手动创建与恢复快照#

创建快照#

# 创建带描述的快照（--type 可选：single（独立）、pre（更新前）、post（更新后））
snapper -c root create --description "更新前快照" --type pre
 
# 查看快照列表
snapper -c root list

恢复快照（关键操作！）#

若系统更新后无法启动，可通过以下步骤回滚：

1. 从 Arch live 环境启动，挂载 Btrfs 分区和子卷：

   mount -o subvol=@ /dev/sda2 /mnt

2. 查看快照：

   btrfs subvolume list /mnt  # 快照路径通常为 @snapshots/<编号>/snapshot

3. 回滚（以快照 @snapshots/1/snapshot 为例）：

   # 重命名当前根目录子卷（备份）
   btrfs subvolume rename /mnt/@ /mnt/@_broken
    
   # 将快照重命名为 @（恢复）
   btrfs subvolume rename /mnt/@snapshots/1/snapshot /mnt/@

4. 重启系统，即可恢复到快照状态。

10. 日常维护#

10.1 数据校验与修复（btrfs scrub）#

定期运行 scrub 检测并修复数据错误（推荐每月一次）：

# 开始校验（后台运行）
btrfs scrub start /
 
# 查看进度
btrfs scrub status /
 
# 设置定时任务（通过 systemd timer）
systemctl enable --now [email protected]  # 自动每月 scrub 根目录

10.2 空间清理（btrfs balance）#

当磁盘碎片或元数据分布不均时，可运行 balance（谨慎使用，耗时且占资源）：

# 仅平衡使用率 >50% 的数据块（减少负载）
btrfs balance start -dusage=50 /

10.3 压缩优化#

Btrfs 压缩默认对所有文件生效，但部分场景需禁用（如数据库、虚拟机镜像）：

# 为目录禁用压缩（创建子卷并设置 nodatacow）
btrfs subvolume create /var/lib/docker  # Docker 数据目录
chattr +C /var/lib/docker                # 禁用 CoW（含压缩）

11. 常见问题与解决方案#

11.1 快照删除后空间未释放？#

原因：CoW 机制下，若快照引用了文件，删除快照后文件仍被其他快照引用。
解决：

# 查看子卷空间占用
btrfs filesystem du -s /@* /@snapshots/*
 
# 删除无用快照（通过 snapper 清理）
snapper -c root delete <快照编号>

11.2 系统无法启动（子卷挂载失败）？#

原因：fstab 中 subvol 参数错误或 UUID mismatch。
解决：

1. 从 live 环境挂载根分区：mount -o subvol=@ /dev/sda2 /mnt。
2. 检查 /mnt/etc/fstab 中的 rootflags=subvol=@ 和 UUID 是否正确。

11.3 压缩导致性能下降？#

原因：zstd 压缩对 CPU 有轻微占用（尤其老旧设备）。
解决：降低压缩级别（compress=zstd:3）或改用 lz4（更快但压缩率低）：

# 修改 fstab 中对应子卷的压缩选项
nvim /etc/fstab  # 例如：compress=lz4

12. 最佳实践总结#

1. 快照策略：更新前必创建快照，保留 3-5 个关键快照（如“稳定工作状态”）。
2. 子卷规划：至少分离 @、@home、@var，避免快照体积过大。
3. 压缩选择：SSD 优先 zstd，HDD 或低性能设备可选 lz4。
4. 定期维护：启用 btrfs-scrub.timer，每月检查磁盘空间和快照数量。
5. 避免 CoW 场景：数据库、虚拟机镜像、大文件存储目录禁用 CoW（chattr +C）。
6. 备份快照：重要快照可通过 btrfs send 导出到外部存储：

   btrfs send /@snapshots/1/snapshot | gzip > /backup/snapshot_1.gz

13. 参考资料#

• Arch Wiki: Btrfs
• Btrfs 官方文档
• Snapper 用法指南
• Arch Linux 安装指南

通过本文，你已掌握 Arch Linux 与 Btrfs 的核心配置与管理技巧。Btrfs 的灵活性和 Arch 的滚动更新结合，将为你带来高效、可靠的系统体验。若有疑问，欢迎在评论区交流！