第 7 章：快照管理

时间机器：让文件系统拥有"后悔药"

7.1 快照基础

7.1.1 快照原理

Bcachefs 快照是 CoW 的自然延伸:

创建前:
  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ B-Tree: /data/file.txt → Block A        │
  │ 引用计数: Block A = 1                    │
  └─────────────────────────────────────────┘

创建快照后:
  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ B-Tree: /data/file.txt → Block A        │
  │ B-Tree: /snap/file.txt → Block A        │
  │ 引用计数: Block A = 2                    │
  │ 空间占用: 0（共享数据块）                 │
  └─────────────────────────────────────────┘

修改 /data/file.txt 后:
  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ B-Tree: /data/file.txt → Block B (新)    │
  │ B-Tree: /snap/file.txt → Block A (旧)    │
  │ 引用计数: Block A = 1, Block B = 1       │
  │ 空间占用: 新数据的大小                    │
  └─────────────────────────────────────────┘

7.1.2 快照 vs 备份

维度	快照	传统备份
创建速度	毫秒级（O(1)）	分钟-小时级
空间开销	几乎为零（初始）	完整副本
数据位置	同一文件系统	不同设备/位置
灾难恢复	不能抵御设备故障	可以
性能影响	极小	备份时影响 I/O
恢复速度	即时	取决于备份大小

7.1.3 快照类型

Bcachefs 快照类型:

1. 子卷快照 (Subvolume Snapshot)
   - 对整个子卷创建快照
   - 最常用的方式

2. 文件系统快照 (Filesystem Snapshot)
   - 对整个文件系统创建快照
   - 需要文件系统级的保护

3. 只读快照 (Read-only Snapshot)
   - 不可修改
   - 推荐用于备份

4. 可写快照 (Writable Snapshot)
   - 可以修改
   - 适用于测试/开发

7.2 创建快照

7.2.1 创建只读快照

# 创建只读快照（推荐）
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data /mnt/snapshots/snap-$(date +%Y%m%d)

# 查看快照
ls -la /mnt/snapshots/
# 快照看起来像普通目录，但实际是只读的

7.2.2 创建可写快照

# 创建可写快照（可以修改）
sudo bcachefs subvolume snapshot /mnt/data /mnt/snapshots/writable-snap

# 可以直接修改快照中的文件
echo "修改" > /mnt/snapshots/writable-snap/test.txt

7.2.3 对子卷创建快照

# 先创建子卷
sudo bcachefs subvolume create /mnt/data/projects

# 对子卷创建快照
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data/projects /mnt/snapshots/projects-$(date +%Y%m%d)

# 查看子卷列表和快照
sudo bcachefs subvolume list /mnt/data

7.2.4 带标签的快照

# 使用时间戳作为快照名
TIMESTAMP=$(date +%Y%m%d-%H%M%S)
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data /mnt/snapshots/snap-${TIMESTAMP}

# 使用描述性名称
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data /mnt/snapshots/before-upgrade
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data /mnt/snapshots/after-upgrade

7.2.5 创建快照的最佳实践

#!/bin/bash
# create-snapshot.sh

set -e

MOUNT="/mnt/data"
SNAPSHOT_DIR="/mnt/snapshots"
TIMESTAMP=$(date +%Y%m%d-%H%M%S)
SNAPSHOT_NAME="snap-${TIMESTAMP}"

echo "=== 创建快照 ==="
echo "源: $MOUNT"
echo "快照: $SNAPSHOT_DIR/$SNAPSHOT_NAME"
echo ""

# 1. 刷新文件系统缓冲
sync

# 2. 如果是数据库，刷新数据库缓冲
# 例如 PostgreSQL:
# psql -c "CHECKPOINT"
# 例如 MySQL:
# mysql -e "FLUSH TABLES WITH READ LOCK;"

# 3. 创建只读快照
sudo bcachefs subvolume snapshot -r "$MOUNT" "$SNAPSHOT_DIR/$SNAPSHOT_NAME"

# 4. 验证快照
if [ -d "$SNAPSHOT_DIR/$SNAPSHOT_NAME" ]; then
    echo "✅ 快照创建成功"
    ls -la "$SNAPSHOT_DIR/$SNAPSHOT_NAME"
else
    echo "❌ 快照创建失败"
    exit 1
fi

7.3 管理快照

7.3.1 列出快照

# 列出所有子卷（包括快照）
sudo bcachefs subvolume list /mnt/data

# 输出示例:
# ID 256: /projects
# ID 257: /snapshots/snap-20250101
# ID 258: /snapshots/snap-20250102
# ID 259: /snapshots/snap-20250103

7.3.2 查看快照信息

# 查看快照占用的空间
sudo bcachefs fs usage /mnt/data

# 比较快照与当前数据的差异
diff -rq /mnt/data/ /mnt/snapshots/snap-20250101/ 2>/dev/null | head -20

# 统计快照中文件数量
find /mnt/snapshots/snap-20250101 -type f | wc -l

7.3.3 删除快照

# 删除单个快照
sudo bcachefs subvolume delete /mnt/snapshots/snap-20250101

# 批量删除旧快照
for snap in /mnt/snapshots/snap-2024*; do
    echo "删除: $snap"
    sudo bcachefs subvolume delete "$snap"
done

# 删除所有快照（谨慎操作！）
sudo bcachefs subvolume delete --recursive /mnt/snapshots/

7.3.4 重命名快照

# Bcachefs 不直接支持重命名子卷/快照
# 需要通过复制实现

# 创建新名称的快照
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data /mnt/snapshots/new-name

# 删除旧快照
sudo bcachefs subvolume delete /mnt/snapshots/old-name

7.4 从快照恢复

7.4.1 直接复制恢复

# 从快照中恢复单个文件
cp /mnt/snapshots/snap-20250101/important.txt /mnt/data/

# 恢复整个目录
cp -a /mnt/snapshots/snap-20250101/projects/ /mnt/data/projects-restored/

# 使用 rsync 恢复（保留权限）
sudo rsync -av /mnt/snapshots/snap-20250101/ /mnt/data/

7.4.2 完整恢复流程

#!/bin/bash
# restore-from-snapshot.sh

set -e

SNAPSHOT="/mnt/snapshots/snap-20250101"
TARGET="/mnt/data"

echo "=== 从快照恢复 ==="
echo "快照: $SNAPSHOT"
echo "目标: $TARGET"
echo ""

# 确认
read -p "这会覆盖当前数据！确认继续？(y/N) " confirm
if [ "$confirm" != "y" ]; then
    echo "取消操作"
    exit 0
fi

# 1. 创建当前状态的快照（以防万一）
echo "创建当前状态快照..."
TIMESTAMP=$(date +%Y%m%d-%H%M%S)
sudo bcachefs subvolume snapshot -r "$TARGET" "/mnt/snapshots/before-restore-${TIMESTAMP}"

# 2. 清空当前数据
echo "清空当前数据..."
sudo rm -rf "${TARGET:?}"/*

# 3. 从快照恢复
echo "从快照恢复..."
sudo rsync -av "$SNAPSHOT/" "$TARGET/"

# 4. 验证
echo ""
echo "=== 恢复完成 ==="
echo "已恢复的文件数量:"
find "$TARGET" -type f | wc -l

7.4.3 部分恢复

# 只恢复特定文件
cp /mnt/snapshots/snap-20250101/documents/report.pdf /mnt/data/documents/

# 只恢复特定类型的文件
find /mnt/snapshots/snap-20250101 -name "*.conf" -exec cp {} /mnt/data/config/ \;

# 恢复到不同位置
cp -r /mnt/snapshots/snap-20250101/projects/ /mnt/data/old-projects/

7.5 自动化快照策略

7.5.1 定时快照脚本

#!/bin/bash
# auto-snapshot.sh

set -e

MOUNT="/mnt/data"
SNAPSHOT_DIR="/mnt/snapshots"
DAILY_KEEP=7
WEEKLY_KEEP=4
MONTHLY_KEEP=6

TIMESTAMP=$(date +%Y%m%d-%H%M%S)
DAY_OF_WEEK=$(date +%u)
DAY_OF_MONTH=$(date +%d)

# 创建每日快照
create_daily() {
    local name="daily-${TIMESTAMP}"
    echo "创建每日快照: $name"
    sudo bcachefs subvolume snapshot -r "$MOUNT" "$SNAPSHOT_DIR/$name"
}

# 创建每周快照
create_weekly() {
    if [ "$DAY_OF_WEEK" = "7" ]; then  # 周日
        local name="weekly-${TIMESTAMP}"
        echo "创建每周快照: $name"
        sudo bcachefs subvolume snapshot -r "$MOUNT" "$SNAPSHOT_DIR/$name"
    fi
}

# 创建每月快照
create_monthly() {
    if [ "$DAY_OF_MONTH" = "01" ]; then  # 每月 1 号
        local name="monthly-${TIMESTAMP}"
        echo "创建每月快照: $name"
        sudo bcachefs subvolume snapshot -r "$MOUNT" "$SNAPSHOT_DIR/$name"
    fi
}

# 清理旧快照
cleanup_old() {
    echo "清理旧快照..."
    
    # 保留最近 N 个每日快照
    ls -dt "$SNAPSHOT_DIR"/daily-* 2>/dev/null | tail -n +$((DAILY_KEEP+1)) | while read snap; do
        echo "删除: $snap"
        sudo bcachefs subvolume delete "$snap"
    done
    
    # 保留最近 N 个每周快照
    ls -dt "$SNAPSHOT_DIR"/weekly-* 2>/dev/null | tail -n +$((WEEKLY_KEEP+1)) | while read snap; do
        echo "删除: $snap"
        sudo bcachefs subvolume delete "$snap"
    done
    
    # 保留最近 N 个月度快照
    ls -dt "$SNAPSHOT_DIR"/monthly-* 2>/dev/null | tail -n +$((MONTHLY_KEEP+1)) | while read snap; do
        echo "删除: $snap"
        sudo bcachefs subvolume delete "$snap"
    done
}

# 执行
echo "=== 自动快照 $(date) ==="
create_daily
create_weekly
create_monthly
cleanup_old

echo ""
echo "=== 完成 ==="
echo "当前快照数量:"
ls "$SNAPSHOT_DIR" | wc -l

7.5.2 配置 Crontab

# 编辑 crontab
sudo crontab -e

# 添加以下行:
# 每天凌晨 2 点创建快照
0 2 * * * /usr/local/bin/auto-snapshot.sh >> /var/log/snapshot.log 2>&1

# 每 6 小时创建快照（适合频繁变化的数据）
0 */6 * * * /usr/local/bin/auto-snapshot.sh >> /var/log/snapshot.log 2>&1

7.5.3 Systemd Timer 配置

# /etc/systemd/system/bcachefs-snapshot.service
[Unit]
Description=Bcachefs automatic snapshot
After=local-fs.target

[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/usr/local/bin/auto-snapshot.sh
StandardOutput=journal
StandardError=journal

# /etc/systemd/system/bcachefs-snapshot.timer
[Unit]
Description=Run Bcachefs snapshot every 6 hours

[Timer]
OnCalendar=*-*-* 00/6:00:00
Persistent=true

[Install]
WantedBy=timers.target

# 启用定时器
sudo systemctl enable --now bcachefs-snapshot.timer

# 检查状态
sudo systemctl status bcachefs-snapshot.timer
sudo journalctl -u bcachefs-snapshot.service

7.6 快照与数据库一致性

7.6.1 数据库一致性挑战

问题: 数据库可能有脏页在内存中
  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ 内存中的脏页: [A', B', C']              │
  │ 磁盘上的数据: [A, B, C]                 │
  │                                         │
  │ 如果直接创建快照:                        │
  │   快照包含: [A, B, C]                   │
  │   实际应该是: [A', B', C']              │
  │   → 不一致！                            │
  └─────────────────────────────────────────┘

解决方案: 创建快照前刷新数据库缓冲

7.6.2 PostgreSQL

#!/bin/bash
# snapshot-postgres.sh

# 1. 暂停写入（可选）
psql -c "SELECT pg_start_backup('bcachefs-snapshot', true);"

# 2. 创建快照
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /var/lib/postgresql /mnt/snapshots/pg-$(date +%Y%m%d)

# 3. 恢复写入
psql -c "SELECT pg_stop_backup();"

7.6.3 MySQL / MariaDB

#!/bin/bash
# snapshot-mysql.sh

# 1. 刷新并锁定表
mysql -e "FLUSH TABLES WITH READ LOCK;"

# 2. 创建快照
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /var/lib/mysql /mnt/snapshots/mysql-$(date +%Y%m%d)

# 3. 解锁
mysql -e "UNLOCK TABLES;"

7.6.4 SQLite

#!/bin/bash
# snapshot-sqlite.sh

# SQLite 使用文件锁，只需确保没有写入
# 1. 检查是否有写入进程
lsof /path/to/database.db

# 2. 创建快照
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /path/to/data /mnt/snapshots/sqlite-$(date +%Y%m%d)

7.7 快照监控

7.7.1 监控快照数量

#!/bin/bash
# monitor-snapshots.sh

SNAPSHOT_DIR="/mnt/snapshots"
MAX_SNAPSHOTS=50

count=$(ls "$SNAPSHOT_DIR" | wc -l)

echo "当前快照数量: $count"

if [ "$count" -gt "$MAX_SNAPSHOTS" ]; then
    echo "⚠️  警告: 快照数量超过阈值 ($MAX_SNAPSHOTS)"
    # 发送告警
fi

7.7.2 监控快照空间

#!/bin/bash
# monitor-snapshot-space.sh

MOUNT="/mnt/data"

# 查看文件系统使用情况
sudo bcachefs fs usage "$MOUNT"

# 快照本身不占用额外空间（初始时）
# 但修改后的 CoW 数据会占用空间

7.7.3 Prometheus 指标

# 如果使用 node_exporter，可以自定义指标
# /etc/node_exporter/textfile_collector/bcachefs_snapshots.prom

#!/bin/bash
SNAPSHOT_COUNT=$(ls /mnt/snapshots | wc -l)
echo "bcachefs_snapshot_count $SNAPSHOT_COUNT"

7.8 快照性能影响

7.8.1 创建性能

# 快照创建是 O(1) 操作，几乎不消耗时间
time sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data /mnt/snapshots/test-snap
# 通常 < 0.01 秒

7.8.2 写入性能影响

大量快照时的写入开销:

1 个快照:
  写入 Block A → 只需更新 1 个引用 → 开销小

N 个快照:
  写入 Block A → 需要检查 N 个引用 → 开销增加

建议:
  - 保留不超过 50-100 个快照
  - 定期清理旧快照

7.8.3 读取性能影响

# 快照不影响正常读取性能
# 读取快照文件与读取普通文件性能相同

# 但大量快照可能影响元数据查询
# 建议使用子卷隔离快照

7.9 快照与子卷的关系

7.9.1 使用子卷组织快照

# 创建数据子卷
sudo bcachefs subvolume create /mnt/data/documents
sudo bcachefs subvolume create /mnt/data/projects

# 为每个子卷创建独立的快照
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data/documents /mnt/snapshots/docs-$(date +%Y%m%d)
sudo bcachefs subvolume snapshot -r /mnt/data/projects /mnt/snapshots/proj-$(date +%Y%m%d)

# 优势: 可以独立管理不同数据集的快照

7.9.2 子卷快照 vs 根快照

子卷快照 (推荐):
  /mnt/data/
  ├── documents/ (子卷)
  │   └── ...数据...
  └── projects/ (子卷)
      └── ...数据...

  快照:
  /mnt/snapshots/
  ├── docs-20250101/    ← 只包含 documents
  └── proj-20250101/    ← 只包含 projects

根快照:
  对整个 /mnt/data 创建快照
  包含所有子卷 → 更大，管理更复杂

7.10 快照灾难恢复

7.10.1 快照不能替代备份

快照在同一文件系统上:
  设备故障 → 快照也丢失！

正确的备份策略:
  快照（本地保护）+ 远程备份（灾难恢复）

推荐架构:
  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ 本地存储                                │
  │ ├── 数据                                │
  │ ├── 每日快照                            │
  │ └── 周/月快照                           │
  ├─────────────────────────────────────────┤
  │ 远程备份                                │
  │ ├── rsync 到远程服务器                   │
  │ ├── 磁带备份                            │
  │ └── 云存储                              │
  └─────────────────────────────────────────┘

7.10.2 从快照创建远程备份

#!/bin/bash
# snapshot-to-remote.sh

SNAPSHOT_DIR="/mnt/snapshots"
REMOTE_HOST="backup-server"
REMOTE_PATH="/backup/data"

# 获取最新快照
LATEST_SNAP=$(ls -dt "$SNAPSHOT_DIR"/daily-* | head -1)

echo "同步快照到远程: $LATEST_SNAP"

# 使用 rsync 同步
rsync -avz --delete \
    "$LATEST_SNAP/" \
    "${REMOTE_HOST}:${REMOTE_PATH}/"

echo "同步完成"

7.11 本章小结

操作	命令	说明
创建只读快照	`bcachefs subvolume snapshot -r src dst`	推荐方式
创建可写快照	`bcachefs subvolume snapshot src dst`	可修改
列出快照	`bcachefs subvolume list /mnt`	查看所有子卷/快照
删除快照	`bcachefs subvolume delete /path`	释放空间
恢复数据	`cp /snap/file /data/`	直接复制

最佳实践:

使用只读快照保护数据
通过子卷隔离不同数据集
自动化快照策略
定期清理旧快照
快照不能替代远程备份

扩展阅读

上一章: ← 第 6 章：多设备与分层存储 | 下一章: 第 8 章：压缩策略 →

强曰为道

第 7 章：快照管理

第 7 章：快照管理

7.1 快照基础

7.1.1 快照原理

7.1.2 快照 vs 备份

7.1.3 快照类型

7.2 创建快照

7.2.1 创建只读快照

7.2.2 创建可写快照

7.2.3 对子卷创建快照

7.2.4 带标签的快照

7.2.5 创建快照的最佳实践

7.3 管理快照

7.3.1 列出快照

7.3.2 查看快照信息

7.3.3 删除快照

7.3.4 重命名快照

7.4 从快照恢复

7.4.1 直接复制恢复

7.4.2 完整恢复流程

7.4.3 部分恢复

7.5 自动化快照策略

7.5.1 定时快照脚本

7.5.2 配置 Crontab

7.5.3 Systemd Timer 配置

7.6 快照与数据库一致性

7.6.1 数据库一致性挑战

7.6.2 PostgreSQL

7.6.3 MySQL / MariaDB

7.6.4 SQLite

7.7 快照监控

7.7.1 监控快照数量

7.7.2 监控快照空间

7.7.3 Prometheus 指标

7.8 快照性能影响

7.8.1 创建性能

7.8.2 写入性能影响

7.8.3 读取性能影响

7.9 快照与子卷的关系

7.9.1 使用子卷组织快照

7.9.2 子卷快照 vs 根快照

7.10 快照灾难恢复

7.10.1 快照不能替代备份

7.10.2 从快照创建远程备份

7.11 本章小结

扩展阅读