Btrfs 文件系统运维完全教程 / 第 6 章：数据压缩

第 6 章：数据压缩

6.1 Btrfs 压缩概述

Btrfs 支持透明压缩（Transparent Compression），数据在写入磁盘前自动压缩，读取时自动解压，对应用程序完全透明。

压缩的工作原理

应用程序写入数据
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  Btrfs 文件系统
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  压缩引擎（zstd/lzo/zlib）
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  压缩后写入磁盘
  
  
磁盘读取数据
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  Btrfs 文件系统
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  解压引擎
       │
       ▼
  返回原始数据给应用程序

支持的压缩算法

算法	说明	内核要求
zstd	Zstandard，Facebook 开发，压缩率和速度平衡	4.14+（级别支持 5.15+）
lzo	Lempel-Ziv-Oberhumer，极快但压缩率较低	所有版本
zlib	与 gzip 相同算法，压缩率高但较慢	所有版本
no	不压缩	—

6.2 压缩算法详解

6.2.1 zstd（推荐）

zstd（Zstandard）是目前 Btrfs 推荐的压缩算法：

压缩级别	压缩速度	解压速度	压缩率	适用场景
1	极快	极快	中等	实时压缩，低延迟
3（默认）	快	极快	较好	通用推荐
5	中等	快	好	存储优先
9	慢	快	很好	归档数据
15	很慢	快	极好	长期存储
19	极慢	中等	最佳	极限压缩

# 使用 zstd 默认级别（3）
mount -o compress=zstd /dev/sdb1 /mnt

# 指定压缩级别
mount -o compress=zstd:1 /dev/sdb1 /mnt  # 快速
mount -o compress=zstd:3 /dev/sdb1 /mnt  # 默认
mount -o compress=zstd:9 /dev/sdb1 /mnt  # 高压缩
mount -o compress=zstd:15 /dev/sdb1 /mnt # 归档

# 查看 zstd 压缩比
btrfs filesystem df /mnt

6.2.2 lzo

LZO 速度极快，但压缩率低于 zstd：

特性	说明
压缩速度	极快（比 zstd 快 2-3 倍）
解压速度	极快
压缩率	较低（约 2:1）
CPU 占用	极低
适用场景	低延迟要求、实时压缩

# 使用 lzo 压缩
mount -o compress=lzo /dev/sdb1 /mnt

6.2.3 zlib

zlib 与 gzip 使用相同算法，压缩率最高但最慢：

特性	说明
压缩速度	慢
解压速度	中等
压缩率	高（约 3:1）
CPU 占用	高
适用场景	冷数据、归档存储

# 使用 zlib 压缩
mount -o compress=zlib /dev/sdb1 /mnt

6.2.4 算法对比

指标	zstd:3	lzo	zlib
压缩速度	★★★★	★★★★★	★★
解压速度	★★★★★	★★★★★	★★★
压缩率	★★★★	★★★	★★★★★
CPU 开销	中	低	高
内存开销	中	低	中
推荐场景	通用	实时/低延迟	归档

6.3 压缩配置

6.3.1 挂载选项

# 启用压缩（默认算法和级别）
mount -o compress /dev/sdb1 /mnt

# 指定算法和级别
mount -o compress=zstd:3 /dev/sdb1 /mnt

# 强制压缩所有数据
# 默认情况下 Btrfs 会跳过不可压缩的数据（如已压缩的视频）
# compress-force 会尝试压缩所有数据
mount -o compress-force=zstd:3 /dev/sdb1 /mnt

compress vs compress-force：

行为	compress	compress-force
可压缩数据	压缩	压缩
已压缩数据（视频等）	跳过	仍然尝试压缩
性能影响	较小	可能较大
推荐场景	通用	混合数据类型

6.3.2 压缩级别与内核版本

# 查看内核是否支持压缩级别
uname -r
# 5.15+ 支持 zstd 级别
# 5.19+ 支持 zstd 所有级别 (1-15)
# 6.2+ 支持 zstd 最高级别 (1-19)

# 验证压缩设置
mount | grep /mnt
# /dev/sdb1 on /mnt type btrfs (rw,relatime,compress=zstd:3)

6.3.3 按文件扩展名选择性压缩

Btrfs 会根据文件内容自动判断是否压缩，但也可以通过文件属性控制：

# 禁用某个文件的压缩
chattr +m /path/to/video.mp4

# 强制压缩某个文件
chattr +c /path/to/textfile.txt

# 查看文件属性
lsattr /path/to/file

📝 注意: chattr +m 禁用压缩，chattr +c 启用压缩。但 Btrfs 的实际行为取决于挂载选项和内核版本。

6.3.4 永久配置

# /etc/fstab 中配置压缩
UUID=xxx /data btrfs defaults,compress=zstd:3,noatime,space_cache=v2 0 0

# 对于根分区
UUID=xxx / btrfs subvol=/@,defaults,compress=zstd:1,ssd,discard=async 0 0

6.4 在线切换压缩

6.4.1 重新挂载切换

# 当前挂载（无压缩）
mount | grep /mnt
# /dev/sdb1 on /mnt type btrfs (rw,relatime)

# 在线启用压缩
sudo mount -o remount,compress=zstd:3 /mnt

# 验证
mount | grep /mnt
# /dev/sdb1 on /mnt type btrfs (rw,relatime,compress=zstd:3)

# 切换压缩算法
sudo mount -o remount,compress=lzo /mnt

# 禁用压缩
sudo mount -o remount,compress=no /mnt

📝 注意: 重新挂载只影响新写入的数据，已写入的数据保持原有压缩状态。要对已有数据重新压缩，需要使用 balance 操作。

6.4.2 对已有数据重新压缩

# 方法 1：使用 balance 重新压缩（推荐）
sudo btrfs balance start -dcompress -mcompress /mnt

# 指定压缩算法
sudo btrfs balance start -dcompress=zstd:3 -m /mnt

# 方法 2：复制文件触发重新压缩
sudo cp --reflink=never /mnt/largefile /mnt/largefile.tmp
sudo mv /mnt/largefile.tmp /mnt/largefile

6.5 监控压缩效果

6.5.1 查看压缩比

# 查看空间使用情况
sudo btrfs filesystem df /mnt

# 查看详细使用（包括压缩节省的空间）
sudo btrfs filesystem usage /mnt

# 查看特定目录的压缩效果
sudo compsize /mnt/data
# Processed 1000 files, 200 regular extents (200 refs), 800 inline.
# Type       Perc     Disk Usage   Uncompressed Referenced  
# TOTAL       45%      10.00GiB      22.00GiB    22.50GiB
# none       100%       2.00GiB       2.00GiB     2.10GiB
# zstd        37%       8.00GiB      20.00GiB    20.40GiB

compsize 工具详解：

# 安装 compsize
sudo apt install compsize    # Debian/Ubuntu
sudo dnf install compsize    # Fedora
sudo pacman -S compsize      # Arch

# 查看压缩统计
sudo compsize /mnt
# Type       Perc     Disk Usage   Uncompressed Referenced  
# TOTAL       45%      10.00GiB      22.00GiB    22.50GiB
# none       100%       2.00GiB       2.00GiB     2.10GiB  ← 未压缩数据
# zstd        37%       8.00GiB      20.00GiB    20.40GiB  ← zstd 压缩数据

字段	说明
Type	压缩算法类型
Perc	压缩率百分比（越低越好）
Disk Usage	磁盘实际使用空间
Uncompressed	压缩前大小
Referenced	引用的逻辑大小

6.5.2 单文件压缩信息

# 查看文件的物理布局
sudo filefrag -v /mnt/largefile

# 使用 btrfs 查看 extent 信息
sudo btrfs inspect-internal file-extent-map /mnt/largefile
# 或
sudo btrfs inspect-internal logical-resolve <logical_addr> /mnt

6.6 压缩性能调优

6.6.1 压缩级别选择指南

数据类型	推荐级别	原因
日志文件	zstd:1 或 lzo	低延迟写入
用户文档	zstd:3	好的压缩率
源代码	zstd:3	文本数据压缩效果好
虚拟机磁盘	compress-force=zstd:3	混合数据
数据库	不压缩	避免额外开销
视频/图片	不压缩	已压缩数据
备份归档	zstd:9-15	最大压缩率

6.6.2 SSD vs HDD 压缩策略

SSD:

# SSD 上使用较低压缩级别（减少 CPU 开销，SSD 速度已够快）
mount -o compress=zstd:1,ssd,discard=async /dev/sdb1 /mnt

HDD:

# HDD 上使用较高压缩级别（压缩可减少磁盘 I/O，弥补 CPU 开销）
mount -o compress=zstd:5 /dev/sdb1 /mnt

6.6.3 压缩对性能的影响

场景	压缩影响
顺序读	略有增加延迟（解压），但更少磁盘 I/O
顺序写	增加 CPU 使用，但减少磁盘写入量
随机读	压缩可能导致读放大
随机写	COW + 压缩可能加剧碎片化
大文件	压缩收益明显
小文件	压缩开销可能超过收益

6.6.4 内存和 CPU 开销

# 查看压缩使用的内存
cat /proc/fs/btrfs/features
# 或
cat /sys/fs/btrfs/<uuid>/compression_stats

# 监控 CPU 使用
top -p $(pgrep btrfs)

6.7 业务场景实战

6.7.1 Web 服务器日志压缩

# /var/log 日志目录
mount -o compress=zstd:1,noatime /dev/sdb1 /var/log
# 日志写入频繁，使用最低压缩级别

6.7.2 虚拟机磁盘压缩

# 虚拟机镜像存储
mount -o compress-force=zstd:5 /dev/sdb1 /vms
# force 是因为虚拟机磁盘内可能有压缩数据

6.7.3 NAS 文件服务器

# NAS 共享存储
mount -o compress=zstd:3,noatime /dev/sdb1 /nas
# 通用压缩，平衡速度和压缩率

6.7.4 归档存储

# 冷数据归档
mount -o compress=zstd:15 /dev/sdb1 /archive
# 高压缩级别，存储优先

6.8 本章小结

操作	命令
启用压缩	`mount -o compress=zstd:3 /dev/sdX /mnt`
在线切换	`mount -o remount,compress=lzo /mnt`
强制压缩	`mount -o compress-force=zstd /dev/sdX /mnt`
禁用压缩	`mount -o remount,compress=no /mnt`
查看压缩比	`compsize /mnt`
重新压缩	`btrfs balance start -dcompress /mnt`

关键要点：

推荐使用 zstd，级别 1-5 适合大多数场景
压缩级别只影响新写入的数据
compress-force 会压缩所有数据，包括已压缩的
使用 compsize 监控压缩效果
SSD 使用低级别，HDD 可以用更高级别