# 了解 Btrfs Filesystem 運作

## What is Copy-on-Write (CoW) and How does it work?
* Btrfs 檔案系統的所有寫入操作都會使用「Copy on Write（CoW）的機制」
* 如果你只是寫入一個之前不存在的檔案，那麼資料就會被寫入到空的空間中，並且組成檔案系統的一些 metadata blocks 會被「CoWed」（寫時複製）。
* 在「一般」的檔案系統中，如果你回頭覆蓋該檔案的一部分，那麼你正在寫入的那部分會直接覆蓋掉它所替換的資料。
* 在「CoW」檔案系統中，新的資料會被寫入到磁碟上的一個空閒空間，然後才會將檔案的 metadata 更改為指向新的資料。在那個時候，被替換的舊資料可以被釋放，因為沒有任何東西再指向它了。

## 實作 Copy-on-Write
1. Create a Btrfs filesystem on a single drive

~> mkfs.btrfs /dev/sdb
btrfs-progs v5.14
See http://btrfs.wiki.kernel.org for more information.

Label:              (null)
UUID:               b2a83758-9bfd-4e48-b079-a988f4cc7cbe
Node size:          16384
Sector size:        4096
Filesystem size:    50.00GiB
Block group profiles:
  Data:             single            8.00MiB
  Metadata:         DUP             256.00MiB
  System:           DUP               8.00MiB
SSD detected:       no
Zoned device:       no
Incompat features:  extref, skinny-metadata
Runtime features:
Checksum:           crc32c
Number of devices:  1
Devices:
   ID        SIZE  PATH
    1    50.00GiB  /dev/sdb

2. 將一個 sdb 這顆硬碟 mount 到 /mnt/pool1 目錄上

$ mkdir /mnt/pool1
$ mount -t btrfs /dev/sdb /mnt/pool1
$ df -h  | egrep "Filesystem|pool1"
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/sdb                  50G  3.5M   50G   1% /mnt/pool1

# 檢視根目錄之檔案系統類型
~> df -hT /
Filesystem              Type   Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/system-root btrfs   32G  2.4G   30G   8% /

# 建立並切換工作目錄
~> mkdir cow/ && cd cow

# 產生 1 G 大小之檔案
~> fallocate -l 1G one

# 使用 copy on write 的方式複製檔案
~> cp --reflink=always one two

# 不使用 copy on write 複製檔案
~> cp --reflink=never one three

# 顯示 btrfs 檔案系統中當前目錄下每個檔案的硬碟使用量
~> btrfs filesystem du .
     Total   Exclusive  Set shared  Filename
   1.00GiB       0.00B           -  ./one
   1.00GiB       0.00B           -  ./two
 991.38MiB   991.38MiB           -  ./three
   2.97GiB   991.38MiB     1.00GiB  .

# 檢視 one、two 和 three 三個檔案 在 儲存裝置上的絕對位置
# one、two 的 block 資料區間是相同的，three 是自己的 block 資料區間
~> filefrag -v one two three
Filesystem type is: 9123683e
File size of one is 1073741824 (262144 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..   65535:    7972394..   8037929:  65536:             unwritten,shared
   1:    65536..  262143:    8120119..   8316726: 196608:    8037930: last,unwritten,shared,eof
one: 2 extents found
File size of two is 1073741824 (262144 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..   65535:    7972394..   8037929:  65536:             unwritten,shared
   1:    65536..  262143:    8120119..   8316726: 196608:    8037930: last,unwritten,shared,eof
two: 2 extents found
File size of three is 1073741824 (262144 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..   32767:    8037930..   8070697:  32768:
   1:    32768..   65535:    8316727..   8349494:  32768:    8070698:
   2:    65536..  262143:    8371456..   8568063: 196608:    8349495: last,eof
three: 3 extents found

* 修改 two 檔案的內容
* 原本舊的 block 資料區間就被釋放掉了，已經寫入到新的 block 資料區間

# echo "abc" > /root/cow/two

# filefrag -v /root/cow/one /root/cow/two
Filesystem type is: 9123683e
File size of /root/cow/one is 1073741824 (262144 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..   65535:    2831685..   2897220:  65536:             unwritten
   1:    65536..  262143:    2899200..   3095807: 196608:    2897221: last,unwritten,eof
/root/cow/one: 2 extents found
File size of /root/cow/two is 4 (1 block of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..    4095:          0..      4095:   4096:             last,not_aligned,inline,eof
/root/cow/two: 1 extent found

## what is subvolume
* 在 Btrfs 文件系統中，subvolume 是一種用於將文件系統劃分為邏輯分區的功能。子卷就像獨立的文件系統一樣，它們具有自己的文件和目錄樹，並且可以獨立地掛載、備份和管理。
* subvolume 具有彈性，可以在檔案系統的任何位置建立，也可以建立在其他 subvolume 之內。由於它們的階層性質，包含其他子 subvolume 的 subvolume 在刪除前無法被刪除。
* 每個 Btrfs 的實作都會包含一個父/主 subvolume 。這是預設掛載的最上層 subvolume 。對於使用者來說， subvolume 看起來就像是目錄和子目錄。

## 實作 Btrfs Subvolume Snapshot 備份與還原

# 建立 subvolume ，命名為 demo
~> sudo btrfs sub create /root/demo/
Create subvolume '/root/demo’

# 檢查 subvolume 是否建立
~> sudo btrfs sub list -o /root
ID 325 gen 781 top level 262 path @/root/demo

# Subvolume appear as directory in the file system
~> sudo ls -ld /root/demo
drwxr-xr-x 1 root root 0 Jun  9 22:03 /root/demo

# 產生 20 G 的檔案
~> sudo fallocate -l 20G /root/demo/demo.txt

# 查看檔案大小
~> sudo btrfs filesystem du -s /root/demo/demo.txt
Total   Exclusive  Set shared  Filename
20.00GiB    20.00GiB       0.00B  /root/demo/demo.txt

# 建立 Subvolume Snapshot
~> sudo btrfs subvolume snapshot -r "/root/demo/" "/root/demo-snap/"
Create a readonly snapshot of '/root/demo/' in '/root/demo-snap’

# 查看 Subvolume Snapshot 是否建立成功
~> sudo btrfs subvolume list -o /root/
ID 325 gen 822 top level 262 path @/root/demo
ID 346 gen 822 top level 262 path @/root/demo-snap

# 檢查快照檔案是否符合預期
~> sudo ls -lh /root/demo-snap/
total 20G
-rw-r--r-- 1 root root 20G Jun 10 04:17 demo.txt

#檢視原始檔案和快照後備份後之檔案在儲存裝置上的絕對位置
~> sudo filefrag -v /root/demo/demo.txt /root/demo-snap/demo.txt
Filesystem type is: 9123683e
File size of /root/demo/demo.txt is 21474836480 (5242880 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..  131071:     684781..    815852: 131072:             unwritten,shared
   1:   131072.. 5242879:     859392..   5971199: 5111808:     815853: last,unwritten,shared,eof
/root/demo/demo.txt: 2 extents found
Filesystem type is: 9123683e
File size of /root/demo-snap/demo.txt is 21474836480 (5242880 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..  131071:     684781..    815852: 131072:             unwritten,shared
   1:   131072.. 5242879:     859392..   5971199: 5111808:     815853: last,unwritten,shared,eof
/root/demo-snap/demo.txt: 2 extents found

#檢視原始檔案和快照後備份後之檔案大小資訊
~> sudo btrfs filesystem du -s /root/demo/demo.txt /root/demo-snap/demo.txt
 Total   Exclusive  Set shared  Filename
  20.00GiB       0.00B    20.00GiB  /root/demo/demo.txt
  20.00GiB       0.00B    20.00GiB  /root/demo-snap/demo.txt

# 檢視以上兩個檔案總共占用多少硬體空間
~> sudo df -hT /root
Filesystem              Type   Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/system-root btrfs   32G   23G  9.3G  71% /root

* 破壞和還原檔案

# 嘗試直接刪除 read-only 之 subvolume snapshot
~> sudo rm -r /root/demo-snap
rm: cannot remove '/root/demo-snap/demo.txt': Read-only file system

# 直接刪除在 demo 目錄下的原始檔案
~> sudo rm /root/demo/demo.txt

# 透過快照備份檔還原原始檔
~> sudo cp --reflink=always /root/demo-snap/demo.txt /root/demo/

# 檢視檔案是否恢復
~> sudo ls -lh /root/demo/
total 20G
-rw-r--r-- 1 root root 20G Jun 10 08:40 demo.txt

* 清除 subvolume

# sudo btrfs subvolume delete /root/demo-snap
Delete subvolume (no-commit): '/root/demo-snap'

# sudo btrfs subvolume delete /root/demo/
Delete subvolume (no-commit): '/root/demo'

## 確認空間已被釋放
# sudo df -hT /root
Filesystem              Type   Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/system-root btrfs  32G   3G   29.3G  9.3% /root