块设备、分区与 LVM · Storage Journey

新服务器上架，插了 12 块盘，你要做的第一件事不是 mkfs，而是搞清楚：哪个 /dev/sdX 是哪块物理盘？重启之后它还叫这个名字吗？扇区是 512 还是 4K，分区对齐了吗？将来容量不够了能不能不停机扩容？这一课回答这些问题。

学完你能用 lsblk、blkid、udevadm 摸清一台机器上的所有块设备，理解为什么生产环境必须用 /dev/disk/by-id 引用磁盘，用 parted 建出 4K 对齐的 GPT 分区，并用 LVM 完成创建、在线扩容、精简配置和快照。全部实验都在 loop 设备上完成，不会碰到你的真实磁盘。

什么是块设备

块设备（Block Device） 是一种以固定大小的块为单位、可以按地址随机读写的设备。磁盘、分区、RAID 阵列、LVM 逻辑卷、loop 设备、iSCSI LUN，在内核看来都是块设备。它和字符设备（终端、串口）的区别在于：块设备可以随机寻址，内核会为它提供缓存和 I/O 调度。

ls -l /dev/vda 输出的首字母 b 表示块设备（字符设备是 c），紧跟的 253, 0 是主设备号（驱动）和次设备号（实例）。更完整的信息在 /sys/block/ 下，每个设备一个目录，上一课看到的 queue/、device/ 都在这里。

设备名从哪来

名字	驱动 / 来源	说明
`sda`、`sdb`…	SCSI 子系统（SATA、SAS、USB、iSCSI 都走这里）	按发现顺序分配字母，分区是 `sda1`
`nvme0n1`	NVMe	控制器 0 的命名空间 1，分区是 `nvme0n1p1`
`vda`、`vdb`…	virtio-blk（KVM 虚拟机）	分区是 `vda1`
`loop0`…	loop 驱动，把文件当成盘	分区是 `loop0p1`（需要 `-P`）
`dm-0`…	device mapper（LVM、dm-crypt、多路径）	通常通过 `/dev/mapper/<名字>` 访问
`md0`…	Linux 软 RAID	见RAID 与 mdadm

lsblk：一眼看清设备树

console

$ lsblk
NAME                      MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
loop0                       7:0    0 63.9M  1 loop /snap/core20/2318
loop1                       7:1    0   87M  1 loop /snap/lxd/29351
vda                       253:0    0   40G  0 disk
├─vda1                    253:1    0    1M  0 part
├─vda2                    253:2    0    2G  0 part /boot
└─vda3                    253:3    0   38G  0 part
  └─ubuntu--vg-ubuntu--lv 252:0    0   19G  0 lvm  /
vdb                       253:16   0   20G  0 disk

这是一台典型的 Ubuntu 24.04 虚拟机：vda3 是 LVM 物理卷，上面切出了根分区的逻辑卷；loop0、loop1 被 snap 占用（后面做实验时要注意别撞上）。常用的列组合：

bash

lsblk -f                                   # 文件系统类型、标签、UUID、挂载点
lsblk -o NAME,SIZE,TYPE,FSTYPE,MOUNTPOINTS,SERIAL,WWN
lsblk -d -o NAME,SIZE,ROTA,TRAN,LOG-SEC,PHY-SEC,MODEL    # 只看整盘

blkid 从设备上读出文件系统签名，是查 UUID 最直接的方式：

console

$ sudo blkid /dev/vda2
/dev/vda2: UUID="2f4c6b3e-8a1d-4f0e-9c7b-1d2e3f4a5b6c" BLOCK_SIZE="4096" TYPE="ext4" PARTUUID="7a9b1c2d-..."

稳定命名：生产环境必须用 by-id

sdX 为什么不可靠

sda、sdb 的字母是内核按探测顺序分配的。控制器初始化快慢、某块盘上电晚了半秒、换了一块盘、加了一张 HBA 卡、插了个 U 盘，都可能让字母整体错位。上次重启时的 sdc，这次可能变成了 sdd。

udev 与 /dev/disk/by-*

设备出现时，内核发出 uevent，用户态的 udev 根据规则读取设备的型号、序列号、WWN、所在总线路径等属性，在 /dev/disk/ 下创建一组指向真实设备的符号链接：

目录	依据	稳定性	典型用途
`by-id/`	型号 + 序列号，或 WWN / EUI	跟着物理盘走，换槽位也不变	引用整盘：建 RAID、Ceph OSD、GPFS NSD
`by-path/`	PCI 地址 + 端口 / 槽位	跟着槽位走，换了盘名字不变	按槽位定位、自动化换盘
`by-uuid/`	文件系统 UUID	跟着文件系统走，重新 mkfs 会变	`/etc/fstab` 挂载
`by-partuuid/`	GPT 分区 UUID	跟着分区走	引导配置、无文件系统的分区
`by-label/`	文件系统标签	标签可能重复	人工可读的临时挂载

console

$ ls -l /dev/disk/by-id/ | grep -v part
lrwxrwxrwx 1 root root  9 Sep 24 09:12 ata-ST20000NM007D-3DJ103_ZVT0XXXX -> ../../sda
lrwxrwxrwx 1 root root 13 Sep 24 09:12 nvme-SAMSUNG_MZQL23T8HCLS-00A07_S64HNXXXX -> ../../nvme0n1
lrwxrwxrwx 1 root root 13 Sep 24 09:12 nvme-eui.36344830526021230025384500000001 -> ../../nvme0n1
lrwxrwxrwx 1 root root  9 Sep 24 09:12 wwn-0x5000c500d1234567 -> ../../sda

同一块盘常有多个 by-id 链接。wwn-/nvme-eui. 是全球唯一标识，最稳；ata-型号_序列号 可读性最好，序列号和盘上贴纸一致，方便机房人员找盘。

想知道某个设备的全部 udev 属性：

console

$ udevadm info --query=property --name=/dev/sda | grep -E '^(ID_MODEL|ID_SERIAL_SHORT|ID_WWN|ID_PATH|DEVLINKS)='
ID_MODEL=ST20000NM007D-3DJ103
ID_SERIAL_SHORT=ZVT0XXXX
ID_WWN=0x5000c500d1234567
ID_PATH=pci-0000:3b:00.0-sas-phy4-lun-0
DEVLINKS=/dev/disk/by-id/wwn-0x5000c500d1234567 /dev/disk/by-path/pci-0000:3b:00.0-sas-phy4-lun-0 /dev/disk/by-id/ata-ST20000NM007D-3DJ103_ZVT0XXXX

扇区大小与 4K 对齐

逻辑扇区与物理扇区

上一课讲过，很多盘是 512e：对外报 512 字节逻辑扇区，内部是 4K 物理扇区。内核通过 sysfs 暴露这几个关键值：

console

$ grep . /sys/block/sda/queue/{logical_block_size,physical_block_size,minimum_io_size,optimal_io_size}
/sys/block/sda/queue/logical_block_size:512
/sys/block/sda/queue/physical_block_size:4096
/sys/block/sda/queue/minimum_io_size:4096
/sys/block/sda/queue/optimal_io_size:0

logical_block_size：可寻址的最小单位，I/O 必须是它的整数倍。
physical_block_size：真正的读写单位，小于它的写要做读-改-写。
optimal_io_size：RAID 阵列、部分 SSD 会报告条带宽度，文件系统据此对齐分配。

为什么要对齐

如果分区从第 63 个扇区开始（老式 MBR 工具的默认值），分区里的每个 4K 块都会横跨两个物理扇区：

text

物理扇区（4K）  |    P0     |    P1     |    P2     |
未对齐分区      |  ↘  4K 块 A ↘  4K 块 B ↘ ...        每次写一个块要改两个物理扇区
                  起点 = 63 × 512 = 32256 字节，不是 4096 的整数倍
对齐分区        |  4K 块 A  |  4K 块 B  |  4K 块 C  |  一一对应
                  起点 = 2048 × 512 = 1 MiB

现代工具（parted、fdisk、sgdisk）默认都把第一个分区放在 1 MiB 处。1 MiB 是 4K、64K、256K、1M 等常见条带和擦除块的公倍数，能同时满足 HDD、SSD 和 RAID 的对齐需求。经验法则：分区起点和大小都用 MiB 为单位来写，就不会出错。

GPT 分区与 parted

MBR 还是 GPT

	MBR	GPT
最大磁盘	2 TiB（512 字节扇区时）	实际无上限（8 ZiB）
分区数	4 个主分区（或扩展分区套逻辑分区）	默认 128 个
冗余	无，分区表只在第 0 扇区	头部和尾部各一份，带 CRC 校验
分区标识	1 字节类型码	类型 GUID + 每个分区唯一的 PARTUUID + 名字

没有理由再用 MBR。今天的数据盘动辄 20 TB，MBR 根本放不下。

准备实验用的 loop 设备

造三块"盘"

用稀疏文件模拟磁盘，-P 让内核扫描分区表，--show 打印分配到的设备名。Ubuntu 上 snap 已经占了若干 loop 设备，一定要用变量记住你拿到的设备名，不要想当然地写 /dev/loop0。

bash

sudo mkdir -p /var/lib/lab
for i in 1 2 3; do sudo truncate -s 2G /var/lib/lab/disk$i.img; done
D1=$(sudo losetup -fP --show /var/lib/lab/disk1.img)
D2=$(sudo losetup -fP --show /var/lib/lab/disk2.img)
D3=$(sudo losetup -fP --show /var/lib/lab/disk3.img)
echo $D1 $D2 $D3          # 例如 /dev/loop8 /dev/loop9 /dev/loop10
losetup -l | grep /var/lib/lab

变量只在当前 shell 有效，换了终端需要用 losetup -l 重新找回。

用 parted 建 GPT 分区

parted 的 -s（script）模式适合写进脚本；交互模式下每条命令会立即写盘，没有"保存"这一步。

bash

sudo parted -s $D1 mklabel gpt
sudo parted -s $D1 mkpart data1 1MiB 50%
sudo parted -s $D1 mkpart data2 50% 100%
sudo parted -s $D1 unit s print
sudo parted -s $D1 align-check optimal 1

text

Model: Loopback device (loopback)
Disk /dev/loop8: 4194304s
Sector size (logical/physical): 512B/512B
Partition Table: gpt
Disk Flags:

Number  Start     End       Size      File system  Name   Flags
 1      2048s     2097151s  2095104s               data1
 2      2097152s  4192255s  2095104s               data2

1 aligned

GPT 里 mkpart 的第一个参数是分区名字（写入分区表的 PARTLABEL），不是文件系统类型。起点 2048 扇区正好是 1 MiB。注意磁盘最后留下的一小段：GPT 在尾部存放了备份分区表。

console

$ lsblk -o NAME,SIZE,PARTLABEL,PARTUUID $D1
NAME      SIZE PARTLABEL PARTUUID
loop8       2G
├─loop8p1 1023M data1     3c5d7e9f-1a2b-4c3d-8e9f-0a1b2c3d4e5f
└─loop8p2 1023M data2     8f7e6d5c-4b3a-4291-a0b1-c2d3e4f5a6b7

其他常用操作：

bash

sudo parted -s $D1 rm 2                  # 删除 2 号分区
sudo partprobe $D1                       # 分区表被其他工具改动后，通知内核重新读取
sudo wipefs $D1                          # 只列出签名；wipefs -a 才会擦除（回收旧盘的标准动作，破坏性）

模拟 4Kn 盘

loop 设备可以指定逻辑扇区大小，用来观察 4Kn 盘上的行为：

console

$ sudo truncate -s 1G /var/lib/lab/disk4k.img
$ D4K=$(sudo losetup -fP --show -b 4096 /var/lib/lab/disk4k.img)
$ lsblk -o NAME,LOG-SEC,PHY-SEC $D4K
NAME   LOG-SEC PHY-SEC
loop11    4096    4096
$ sudo losetup -d $D4K

LVM：让容量可以流动

为什么需要 LVM

直接在分区上建文件系统，容量在分区那一刻就定死了：想扩容，要么后面恰好有空闲空间，要么停机搬数据。LVM（Logical Volume Manager） 在物理盘和文件系统之间加了一层池化：

text

  文件系统       ext4 (/data)        xfs (/logs)
                     │                   │
  LV 逻辑卷     ┌────┴─────┐       ┌─────┴────┐
               │ labvg/data│       │labvg/logs│     ← 从 VG 中按需切出，可在线扩容
               └────┬─────┘       └─────┬────┘
  VG 卷组      ┌────┴───────────────────┴─────────────┐
               │ labvg：PE 池（默认每个 PE 4 MiB）      │  ← 把多块 PV 的空间汇成一个池
               └────┬───────────────────┬─────────────┘
  PV 物理卷      /dev/loop9          /dev/loop10          ← 整盘、分区、RAID 阵列都可以

PV（Physical Volume）：被 LVM 初始化过的块设备，头部写有 LVM 元数据。
VG（Volume Group）：一个或多个 PV 组成的存储池，空间以 PE（Physical Extent） 为单位管理。
LV（Logical Volume）：从 VG 中分配的虚拟块设备，由若干 PE 组成，可以跨越多个 PV。

LVM 构建在内核的 device mapper 之上，所以 LV 在 lsblk 里显示为 dm-N，在 /dev/mapper/labvg-data 和 /dev/labvg/data 两处都能访问。

创建 PV、VG、LV

bash

sudo apt install -y lvm2
sudo pvcreate $D2 $D3
sudo vgcreate labvg $D2                 # 先只用一块，留 D3 演示扩容
sudo lvcreate -n data -L 1G labvg
sudo mkfs.ext4 -q /dev/labvg/data
sudo mkdir -p /mnt/lvdata && sudo mount /dev/labvg/data /mnt/lvdata

console

$ sudo pvs
  PV         VG    Fmt  Attr PSize  PFree
  /dev/loop10      lvm2 ---   2.00g    2.00g
  /dev/loop9 labvg lvm2 a--  <2.00g 1020.00m
$ sudo vgs
  VG    #PV #LV #SN Attr   VSize  VFree
  labvg   1   1   0 wz--n- <2.00g 1020.00m
$ sudo lvs
  LV   VG    Attr       LSize Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  data labvg -wi-ao---- 1.00g

<2.00g 是因为 PV 头部的元数据占掉了一点空间，剩余不足整 2 GiB。pvdisplay、vgdisplay、lvdisplay 给出更详细的信息，包括 PE 大小和总数。

在线扩容

LVM 最常用的功能：业务不停，文件系统在挂载状态下直接变大。

bash

# 1) VG 空间不够时，先加一块盘进来
sudo vgextend labvg $D3

# 2) 扩 LV，-r 表示同时扩展上面的文件系统（ext4 调 resize2fs，XFS 调 xfs_growfs）
sudo lvextend -r -L +1.5G labvg/data

df -h /mnt/lvdata

text

Filesystem              Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/labvg-data  2.4G   24K  2.3G   1% /mnt/lvdata

-L +1.5G 是增加 1.5G，-L 3G 是扩到 3G，-l +100%FREE 是吃掉 VG 里全部剩余空间。

LVM 还能在线迁移数据：pvmove /dev/老盘 /dev/新盘 会在不停业务的情况下把 PE 搬到新盘，然后 vgreduce 把老盘移出 VG。这是在不支持热换的老旧存储上换盘的常用手段。

精简配置（Thin Provisioning）

普通 LV 创建时就占满了声明的容量（厚置备）。精简配置先建一个精简池（thin pool），再从池里创建"虚拟大小"任意的精简卷，真正写入时才分配空间，因此可以超额分配（overcommit）。

bash

sudo lvcreate --type thin-pool -L 1G -n tpool labvg
sudo lvcreate -V 5G --thin -n thin1 labvg/tpool
sudo lvcreate -V 5G --thin -n thin2 labvg/tpool

text

  WARNING: Sum of all thin volume sizes (10.00 GiB) exceeds the size of thin pool labvg/tpool and the size of whole volume group (<3.99 GiB).
  WARNING: You have not turned on protection against thin pools running out of space.
  WARNING: Set activation/thin_pool_autoextend_threshold below 100 to trigger automatic extension of thin pools before they get full.
  Logical volume "thin2" created.

1G 的池子声明出了两个 5G 的卷，LVM 已经在警告你了。写一点数据看看池的使用率：

console

$ sudo mkfs.ext4 -q /dev/labvg/thin1
$ sudo mkdir -p /mnt/thin1 && sudo mount /dev/labvg/thin1 /mnt/thin1
$ sudo dd if=/dev/urandom of=/mnt/thin1/blob bs=1M count=300 status=none && sync
$ sudo lvs -o lv_name,lv_size,pool_lv,data_percent,metadata_percent labvg
  LV    LSize Pool  Data%  Meta%
  data  2.50g
  thin1 5.00g tpool 6.44
  thin2 5.00g tpool 0.00
  tpool 1.00g       32.23  11.23

精简配置的另一个好处是配合 discard：文件系统删除文件后执行 fstrim /mnt/thin1，池里的空间会被真正归还。

LVM 快照

快照让你得到某个 LV 在某一时刻的只读（或可写）视图，常用于"升级前留个后悔药"或"在一致的时间点上做备份"。

传统快照（COW）

bash

echo "important v1" | sudo tee /mnt/lvdata/config.txt
sudo lvcreate -s -n data-snap -L 256M labvg/data   # 给快照分配 256M 的 COW 空间
sudo rm /mnt/lvdata/config.txt                     # 手滑删掉了
sudo mkdir -p /mnt/snap
sudo mount -o ro /dev/labvg/data-snap /mnt/snap
cat /mnt/snap/config.txt                           # important v1，找回来了

传统快照的原理是写时复制（Copy-on-Write）：快照刚建好时不占空间，之后源卷每修改一个块，LVM 先把旧内容复制到快照的 COW 区，再写新数据。这带来两个后果：

源卷上的每次首次写都变成"读旧块 + 写 COW + 写新块"，性能明显下降，快照越多越慢。
COW 区写满后快照直接失效（lvs 里 Data% 到 100% 后 Attr 显示 I），只能删除。

lvs 的 Data% 列就是 COW 区的使用率。确认要回滚时，可以把快照合并回源卷：

bash

sudo umount /mnt/snap /mnt/lvdata
sudo lvconvert --merge labvg/data-snap             # 源卷回到快照时刻，快照随之消失
sudo mount /dev/labvg/data /mnt/lvdata && cat /mnt/lvdata/config.txt

如果源卷正在使用中无法卸载（比如根分区），合并会推迟到下次激活该 LV 时（通常是重启）。

精简快照

精简卷的快照不需要预先指定大小，直接共享池里的数据块，性能损耗远小于传统快照，也可以对快照再做快照：

bash

sudo lvcreate -s -n thin1-snap labvg/thin1
sudo lvchange -ay -K labvg/thin1-snap              # 精简快照默认带"跳过激活"标志，-K 忽略它

清理实验环境

bash

sudo umount /mnt/snap /mnt/lvdata /mnt/thin1 2>/dev/null
sudo vgremove -y labvg                  # 删除 VG 以及其中所有 LV
sudo pvremove $D2 $D3
sudo losetup -d $D1 $D2 $D3
sudo rm -f /var/lib/lab/disk*.img

动手练习

在你的机器上执行 ls -l /dev/disk/by-id/ /dev/disk/by-path/ /dev/disk/by-uuid/，为每块整盘找出它的所有稳定名字，并用 udevadm info --query=property 核对序列号。
用 sudo parted -s -a none $D1 mklabel msdos mkpart primary 63s 100% 故意建一个从第 63 扇区开始的 MBR 分区（-a none 关闭自动对齐），然后执行 align-check optimal 1，观察结果并解释原因；再改回 GPT、1MiB 起点的正确分区。
按本课流程建 labvg/data，在里面持续写入（while true; do date >> /mnt/lvdata/log; sleep 1; done）的同时执行 vgextend 与 lvextend -r，确认写入没有中断。
创建一个 200M 的传统快照，然后往源卷写入 300M 数据，观察 lvs 中快照 Data% 的变化以及快照最终的状态。
把精简池设置为自动扩展（修改 lvm.conf 中的两个参数），往 thin1 持续写数据直到超过池的初始大小，观察池是否自动长大。

自测

为什么脚本里格式化或组阵列时不能写 /dev/sdb，而要写 /dev/disk/by-id/...？

sdX 按内核探测顺序分配，重启、换盘、加卡、插 U 盘都可能改变顺序，同一个名字可能指向另一块装有数据的盘。by-id 基于盘的序列号或 WWN，跟着物理盘走，不会因为探测顺序变化而改变，破坏性操作用它才安全。

一块 512e 硬盘上，分区从第 63 个扇区开始，会有什么问题？

起点 63 × 512 = 32256 字节不是 4096 的整数倍，分区内每个 4K 文件系统块都会横跨两个物理扇区。每次写一个 4K 块，盘都要对两个物理扇区做读-改-写，写性能大幅下降。现代工具默认从 1 MiB（第 2048 个扇区）开始即可避免。

PV、VG、LV、PE 分别是什么？一个 LV 能否跨越多块物理盘？

PV 是被 LVM 初始化的块设备；VG 是由一个或多个 PV 组成的存储池；PE 是 VG 中分配空间的最小单位（默认 4 MiB）；LV 是从 VG 中分配若干 PE 组成的虚拟块设备。LV 可以由来自多个 PV 的 PE 组成，所以能跨越多块物理盘（默认线性拼接，这时任何一块盘坏都会影响该 LV）。

精简配置有什么风险？生产中如何防范？

精简配置允许卷的虚拟容量总和超过池的实际容量。一旦池的数据或元数据空间写满，池中所有精简卷的写入都会失败或挂起，文件系统可能损坏。防范措施：监控 data_percent 和 metadata_percent 并告警；配置 thin_pool_autoextend_threshold 和 thin_pool_autoextend_percent 自动扩展，并保证 VG 中有余量；定期 fstrim 回收已删除的空间。

传统 LVM 快照为什么会拖慢源卷？它的 COW 空间写满会怎样？

快照建立后，源卷上每个块第一次被修改前，LVM 都要先读出旧数据复制到快照的 COW 区，再写入新数据，一次写变成了多次 I/O，快照越多越慢。COW 区写满后快照立即失效，无法再使用，只能删除。

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