论文阅读 ｂｔｒｆｓ：ｔｈｅｌｉｎｕｘ ｂｔｒｅｅ ｆｓ

是由ＩＢＭ公司和ｆｕｓｉｏｎｉｏ公司合作进行的。
ｆｕｓｉｏｎｉｏ是最早做ＳＳＤ厂商

摘要：

作为ｌｉｎｕｘ某些版本的默认ｆｓ，支持ＣＯＷ，有效的快照和克隆，使用ｂｔｒｅｅ，设计目标是支持更多的用例和负载。
几个挑战：
扩展性：在磁盘空间，内存和ｃｐｕ上可扩展
数据一致性：不能丢失数据，包括ｃｈｅｃｋｓｕｍ，元数据管理，ＲＡＩＤ。
多种磁盘：针对ｓｓｄ和ｈｄｄ都可以很好的适应，给ＲＡＩＤ和条带机制带来了挑战。


挑战：ｆｓ的性能依赖于ｅｘｔｅｎｔ的连续性，随着ｆｓ　ａｇｅ，会造成空间碎片。但因为支持快照和克隆，所以一个ｅｘｔｅｎｔ会根据ｒｅｆ的计数来决定垃圾回收的时机。而多个ｖｅｒｓｉｏｎ同时引用一个ｅｘｔｅｎｔ会导致碎片无法回收的问题。
另外ｃｐｕ的并行性和ＣＯＷ机制也是不相容的。
ｂｔｒｆｓ与传统的ｉｎｐｌａｃｅ更新的文件系统比，主要的负载效应是使得写更加ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ，读更加ｒａｎｄｏｍ。

相关文件系统

EXT4，XFS，BTRFS是linux上的三个流行文件系统。COW文件系统包括ZFS和WAFL。
overwrite based filesystem：本地更新的文件系统
BTRFS的思想是来自ReiserFS和COW友好的BTREE。
EXT4:overwrite based fs,用extent管理数据，使用基于树的索引来代表文件和目录。WAL来保证操作原子性。log上使用校验和。快照内部不支持，但是下面的卷管理器提供这个功能。
XFS：1993年为irix 操作系统开发的，2000年移植到linux。设计目标是io线程，磁盘数，文件系统大小方面的高扩展性。overwritebased fs。使用extent的btree来管理磁盘空间。日志来保证元数据操作原子性。不支持快照，也是底部的卷管理器支持。
ReiserFS是通用的linux fs，是BTRFS的架构和设计的灵感来源。使用一棵树来代表整个文件系统而不是森林。使用tail packing减少内部分段。
LFS：引入了log-structured存储概念。主要思想是将所有对磁盘的修改修道大的chunk上。lsmtree这样的结构。
NILFS：是LFS在linux内核中的实现。挑战在于，垃圾回收器如何处理快照。

ZFS：工程设计包括
池化存储，所有磁盘被管理在一个巨大的存储池中，没有单独的卷管理器
blocktree：文件系统逻辑上看着像block的tree，update被执行为COW。所有改变都写在一边，然后再一次原子操作中root被重写志祥change block。
校验和，数据保存在叶子中，内部节点包括指针以及指向节点的检验和

ZFS和BTRFS的区别：
ZFS是基于固定大小的block来分配磁盘的，block有4KB，8KB。。某个大小的block会用完，所以就有ganging的机制，小的block合并，大的block分解。BTRFS中是基于extent来管理，本身就是变长的，但也可能有严重的碎片化问题。
校验和：ZFS的校验和保存在快指针节点中，而BTRFS保存在一个单独的树中。
快照，克隆：ZFS使用出生时间来建立快照，BTRFS使用引用计数机制代替。BTRFS的机制更通用，可以使克隆成为一等公民（能否被再次克隆）
去重：ZFS支持去重，尽管会带来明显的内存开销。BTRFS不支持。

fundamentals

基本的文件系统操作：文件 创建、删除、读写，目录查询、迭代，快照和克隆。特性包括，数据一致性，崩溃恢复性，RAID
术语：page,block，磁盘上和内存中的4KB的连续区域。
extent，连续的磁盘区域，page对齐，长度是page的倍数。
COW：在一个不同的位置创建extent或page的全新版本。数据经历read-modified-write elsewhere。

3.1 COW友好的btree
在标准的b+树上，1.部署top-down更新过程
2.移除叶子链 3.对于空间管理，使用lazy 引用计数
treenode被认为占据正好一个page。

因为多个root同时指向一个内部节点，形成DAG有向无环图，所以使用引用计数来进行垃圾回收。

3.2 checkpoints
文件系统就是3.1节讲到的tree组成的森林构成的。update在内存中积攒，然后作为原子checkpoint写下。checkpoint由单调递增的版本号标识。

3.3 文件系统btree
BTRFS的btree识别三中数据结构，keys，items，blockheaders。

BTRFS的btree内部节点只有key-blockpointer对，叶节点包括item-data数组。
extent是从文件中的逻辑区域映射到磁盘上的物理区域。

3.4 forest
subvolume：一颗子树
extent 分配树：保存磁盘上的空闲空间的映射表，以extentitem的结构分配空间。extentitem中保存extent的引用计数等元数据。
checksum tree：对每个被分配的extent保存checksum item。
chunk and device trees：是处理物理设备的分发层。允许镜像、条带和RAID。
reloc tree：用于涉及到移动extent的特殊操作。处理去碎片化。


4.多设备支持
linux两个设备管理子系统，设备映射DM，和软件RAID子系统MD。
两个子系统的主要概念就是，结合raw 设备，暴露给上层一个虚拟的连续的块空间。
用chunktree和devicetree维护逻辑chunk到物理chunk的映射关系。
RAID，文件系统中添加设备或移除设备后，通用的平衡算法而对用户io造成最小影响。
5.去碎片化和重新分配
碎片化在所有fs中都很严重尤其是COW机制，每次update，即使已经分配空间，也涉及到新的分配。
BTRFS比起LFS，不需要很长的extent，可以用一些小的extent来存储数据和元数据，然而性能会变得很差。
nocow选项，针对某个文件datablock取消COW机制，除非有快照。对那些COW很昂贵的操作很适合，例如，做随机小更新然后顺序scan的数据库负载。
对于比起数据库要求更少的应用，用户可以设置autodefrag mount 选项。系统不断寻找作为好的备选者的文件，并调度他们来去碎片化。为了去除碎片化，文件在下一个checkpoint被读取，COW，重写到磁盘上。
relocate