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Btrfs的磁盘结构
Btrfs超级块磁盘结构
超级块记录着一个分区的整体信息。
Btrfs磁盘super_block结构用btrfs_super_block来描述，其定义为：
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fs/btrfs/ctree.h
330 struct btrfs_super_block {
331 u8 csum;
332 /* the first 4 fields must match struct btrfs_header */
333 u8 fsid; /* FS specific uuid */
334 __le64 bytenr; /* this block number */
335 __le64 flags;
336
337 /* allowed to be different from the btrfs_header from here own down */
338 __le64 magic;
339 __le64 generation;
340 __le64 root;
341 __le64 chunk_root;
342 __le64 log_root;
343
344 /* this will help find the new super based on the log root */
345 __le64 log_root_transid;
346 __le64 total_bytes;
347 __le64 bytes_used;
348 __le64 root_dir_objectid;
349 __le64 num_devices;
350 __le32 sectorsize;
351 __le32 nodesize;
352 __le32 leafsize;
353 __le32 stripesize;
354 __le32 sys_chunk_array_size;
355 __le64 chunk_root_generation;
356 __le64 compat_flags;
357 __le64 compat_ro_flags;
358 __le64 incompat_flags;
359 __le16 csum_type;
360 u8 root_level;
361 u8 chunk_root_level;
362 u8 log_root_level;
363 struct btrfs_dev_item dev_item;
364
365 char label;
366
367 /* future expansion */
368 __le64 reserved;
369 u8 sys_chunk_array;
370 } __attribute__ ((__packed__));
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每个磁盘超级块中都包含一个设备item，其定义如下：
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fs/btrfs/ctree.h
184 struct btrfs_dev_item {
185 /* the internal btrfs device id */
186 __le64 devid;
187
188 /* size of the device */
189 __le64 total_bytes;
190
191 /* bytes used */
192 __le64 bytes_used;
193
194 /* optimal io alignment for this device */
195 __le32 io_align;
196
197 /* optimal io width for this device */
198 __le32 io_width;
199
200 /* minimal io size for this device */
201 __le32 sector_size;
202
203 /* type and info about this device */
204 __le64 type;
205
206 /* expected generation for this device */
207 __le64 generation;
208
209 /*
210 * starting byte of this partition on the device,
211 * to allow for stripe alignment in the future
212 */
213 __le64 start_offset;
214
215 /* grouping information for allocation decisions */
216 __le32 dev_group;
217
218 /* seek speed 0-100 where 100 is fastest */
219 u8 seek_speed;
220
221 /* bandwidth 0-100 where 100 is fastest */
222 u8 bandwidth;
223
224 /* btrfs generated uuid for this device */
225 u8 uuid;
226
227 /* uuid of FS who owns this device */
228 u8 fsid;
229 } __attribute__ ((__packed__));
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关于磁盘超级块，还可以看到如下的一些宏：
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fs/btrfs/disk-io.h
22 #define BTRFS_SUPER_INFO_OFFSET (64 * 1024)
23 #define BTRFS_SUPER_INFO_SIZE 4096
24
25 #define BTRFS_SUPER_MIRROR_MAX 3
26 #define BTRFS_SUPER_MIRROR_SHIFT 12
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我们可以看到磁盘超级块在块设备上的偏移为64 * 1024，其大小为4096，并且在磁盘上有3个镜像。
得先了解一下btrfs管理元数据的方式。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；checksum Tree 保存数据块的校验和；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，（super_block->s_fs_info = tree_root(struct btrfs_root), tree_root-> fs_info = fs_info(struct btrfs_fs_info)），也就是btrfs_fs_info结构，其定义为：
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fs/btrfs/ctree.h
802 struct btrfs_fs_info {
803 u8 fsid;
804 u8 chunk_tree_uuid;
805 struct btrfs_root *extent_root;
806 struct btrfs_root *tree_root;
807 struct btrfs_root *chunk_root;
808 struct btrfs_root *dev_root;
809 struct btrfs_root *fs_root;
810 struct btrfs_root *csum_root;
811
812 /* the log root tree is a directory of all the other log roots */
813 struct btrfs_root *log_root_tree;
814
815 spinlock_t fs_roots_radix_lock;
816 struct radix_tree_root fs_roots_radix;
817
818 /* block group cache stuff */
819 spinlock_t block_group_cache_lock;
820 struct rb_root block_group_cache_tree;
821
822 struct extent_io_tree freed_extents;
823 struct extent_io_tree *pinned_extents;
824
825 /* logical->physical extent mapping */
826 struct btrfs_mapping_tree mapping_tree;
827
828 u64 generation;
829 u64 last_trans_committed;
988
989 void *bdev_holder;
990 };
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既然说到了Btree，就不能不提btrfs中的一些Btree设施，先来看下extent_buffer。顾名思义，即是extent在内存中的缓冲，它是btrfs文件系统磁盘空间管理的核心，btrfs通过btree来管理各种元数据，比如inode、目录项，等。这些B+树的每一个节点（包括叶子节点和上层节点）都存储在一个单位的extent中，每次要读取元数据或者要向磁盘写入元数据，则通常先先将数据读入extent_buffer或者向extent_buffe写入数据。
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fs/btrfs/extent-io.h
struct extent_buffer {
u64 start;
unsigned long len;
char *map_token;
char *kaddr;
unsigned long map_start;
unsigned long map_len;
struct page *first_page;
unsigned long bflags;
atomic_t refs;
struct list_head leak_list;
struct rb_node rb_node;
spinlock_t lock;
wait_queue_head_t lock_wq;
};
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接下来，来看这一个个的节点的构成，包括上层节点和叶子节点。
每一个树块（叶子或节点）都以header开始。其定义为：
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fs/btrfs/ctree.h
291 struct btrfs_header {
292 /* these first four must match the super block */
293 u8 csum;
294 u8 fsid; /* FS specific uuid */
295 __le64 bytenr; /* which block this node is supposed to live in */
296 __le64 flags;
297
298 /* allowed to be different from the super from here on down */
299 u8 chunk_tree_uuid;
300 __le64 generation;
301 __le64 owner;
302 __le32 nritems;
303 u8 level;
304 } __attribute__ ((__packed__));
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而一个上层节点则由一个结构表示，其定义为：
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fs/btrfs/ctree.h
411 struct btrfs_key_ptr {
412 struct btrfs_disk_key key;
413 __le64 blockptr;
414 __le64 generation;
415 } __attribute__ ((__packed__));
416
417 struct btrfs_node {
418 struct btrfs_header header;
419 struct btrfs_key_ptr ptrs[];
420 } __attribute__ ((__packed__));
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用于管理btrfs各种元数据的各种B+树最大的不同显然就在这个btrfs_leaf的内容了。叶子节点的其定义如下：
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fs/btrfs/ctree.h
389 struct btrfs_item {
390 struct btrfs_disk_key key;
391 __le32 offset;
392 __le32 size;
393 } __attribute__ ((__packed__));
394
402 struct btrfs_leaf {
403 struct btrfs_header header;
404 struct btrfs_item items[];
405 } __attribute__ ((__packed__));
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代码的注释中也有说明，叶子节点的结构大致如下图：
javascript:;
最主要区别就在于Data部分的内容，这部分内容则因树的类型的不同而不同，比如，如果是inode的btree，那么data部分的内容就是btrfs_inode_item结构，等等。
Btrfs磁盘inode结构
Btrfs磁盘上的inode结构用btrfs_inode_item结构来表示，其定义为：
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fs/btrfs/ctree.h
535 struct btrfs_inode_item {
536 /* nfs style generation number */
537 __le64 generation;
538 /* transid that last touched this inode */
539 __le64 transid;
540 __le64 size;
541 __le64 nbytes;
542 __le64 block_group;
543 __le32 nlink;
544 __le32 uid;
545 __le32 gid;
546 __le32 mode;
547 __le64 rdev;
548 __le64 flags;
549
550 /* modification sequence number for NFS */
551 __le64 sequence;
557 __le64 reserved;
558 struct btrfs_timespec atime;
559 struct btrfs_timespec ctime;
560 struct btrfs_timespec mtime;
561 struct btrfs_timespec otime;
562 } __attribute__ ((__packed__));
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上面atime、 ctime、mtime分别记录访问时间、改变时间和修改时间，其类型定义如下：
524 struct btrfs_timespec {
525 __le64 sec;
526 __le32 nsec;
527 } __attribute__ ((__packed__));
Btrfs磁盘目录项结构
Btrfs磁盘目录项使用一个btrfs_dir_item来表示，在磁盘上作为某个Btree的叶子节点的data项而存在，其定义为：
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fs/btrfs/ctree.h
568 struct btrfs_dir_item {
569 struct btrfs_disk_key location;
570 __le64 transid;
571 __le16 data_len;
572 __le16 name_len;
573 u8 type;
574 } __attribute__ ((__packed__));
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上面的location字段，顾名思义，指的应该是文件的位置，可为什么会是btrfs_disk_key，其实它指的是关联的文件在inode Btree中的关键字。Ext2 等文件系统中采用固定分配inode，磁盘目录项中含有文件索引节点号，而btrfs则使用关键字来定位文件。
上面的btrfs_disk_key定义如下：
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fs/btrfs/ctree.h
167 struct btrfs_disk_key {
168 __le64 objectid;
169 u8 type;
170 __le64 offset;
171 } __attribute__ ((__packed__));
172
173 struct btrfs_key {
174 u64 objectid;
175 u8 type;
176 u64 offset;
177 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
Btrfs使用一棵chunk数来管理磁盘设备
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fs/btrfs/ctree.h
237 struct btrfs_chunk {
238 /* size of this chunk in bytes */
239 __le64 length;
240
241 /* objectid of the root referencing this chunk */
242 __le64 owner;
243
244 __le64 stripe_len;
245 __le64 type;
246
247 /* optimal io alignment for this chunk */
248 __le32 io_align;
249
250 /* optimal io width for this chunk */
251 __le32 io_width;
252
253 /* minimal io size for this chunk */
254 __le32 sector_size;
255
259 __le16 num_stripes;
260
261 /* sub stripes only matter for raid10 */
262 __le16 sub_stripes;
263 struct btrfs_stripe stripe;
264 /* additional stripes go here */
265 } __attribute__ ((__packed__));
231 struct btrfs_stripe {
232 __le64 devid;
233 __le64 offset;
234 u8 dev_uuid;
235 } __attribute__ ((__packed__));
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在内核代码中还可以见到下面这各种磁盘存储结构，和计算机屏幕对视n久，也没太搞明白他们是干什么的，比如，它们是哪棵树的叶子节点的数据部分等，诸位高人，如果有明白的，还请多多指教。谢谢了。
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fs/btrfs/ctree.h
455 struct btrfs_extent_item {
456 __le64 refs;
457 __le64 generation;
458 __le64 flags;
459 } __attribute__ ((__packed__));
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fs/btrfs/ctree.h
461 struct btrfs_extent_item_v0 {
462 __le32 refs;
463 } __attribute__ ((__packed__));
476 struct btrfs_tree_block_info {
477 struct btrfs_disk_key key;
478 u8 level;
479 } __attribute__ ((__packed__));
480
481 struct btrfs_extent_data_ref {
482 __le64 root;
483 __le64 objectid;
484 __le64 offset;
485 __le32 count;
486 } __attribute__ ((__packed__));
487
488 struct btrfs_shared_data_ref {
489 __le32 count;
490 } __attribute__ ((__packed__));
491
492 struct btrfs_extent_inline_ref {
493 u8 type;
494 __le64 offset;
495 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------
fs/btrfs/ctree.h
498 struct btrfs_extent_ref_v0 {
499 __le64 root;
500 __le64 generation;
501 __le64 objectid;
502 __le32 count;
503 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------
fs/btrfs/ctree.h
510 struct btrfs_dev_extent {
511 __le64 chunk_tree;
512 __le64 chunk_objectid;
513 __le64 chunk_offset;
514 __le64 length;
515 u8 chunk_tree_uuid;
516 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------
fs/btrfs/ctree.h
518 struct btrfs_inode_ref {
519 __le64 index;
520 __le16 name_len;
521 /* name goes here */
522 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------
fs/btrfs/ctree.h
564 struct btrfs_dir_log_item {
565 __le64 end;
566 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------
fs/btrfs/ctree.h
594 struct btrfs_root_ref {
595 __le64 dirid;
596 __le64 sequence;
597 __le16 name_len;
598 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------
fs/btrfs/ctree.h
604 struct btrfs_file_extent_item {
608 __le64 generation;
616 __le64 ram_bytes;
617
625 u8 compression;
626 u8 encryption;
627 __le16 other_encoding; /* spare for later use */
630 u8 type;
631
636 __le64 disk_bytenr;
637 __le64 disk_num_bytes;
645 __le64 offset;
650 __le64 num_bytes;
651
652 } __attribute__ ((__packed__));
---------------------------------------------------------------------
