Linux LVM 逻辑卷管理

背景知识

在文章《用户态文件系统 fuse》中，介绍了 Linux 对文件系统的抽象，fuse 文件系统的底层数据存储是可以任意定制的，并不一定会和块设备打交道。

但是，Linux 常用的本地文件系统（如 ext4）数据存储都是基于块设备实现的。

Linux 作为冯诺依曼架构计算机的操作系统，必然实现对输入输出（IO）硬件的支持。

但是，IO 硬件千奇百怪，且会不断迭代发展。因此， Linux 根据和 IO 硬件数据读写方式的不同，对 IO 类硬件的抽象，称之为设备 (Device)，主要包含如下两类：

字符设备（杂项设备），数据是流式的读写，如：鼠标、键盘、终端。
块设备，数据支持随机读写，如：硬盘。

如上这些设备在内核启动过程中，由这些设备驱动（据说 Linux 内核中，驱动代码占比一半），将这些设备加载到内核中。通过 /dev 文件系统（udev）暴露给应用程序使用。以硬盘为例，将存在类似于 /dev/sda 的设备文件。

Linux 还支持将同一块硬盘划分为多个独立相互不影响的区域，即对硬盘进行分区。以实现在不同的区域，格式化为不同的文件系统。

在 Linux 中，可以使用 parted 命令进行分区（可以用 parted -l 查看本机磁盘分区情况）。完成分区后，在 /dev 目录中，除了会看到硬盘对应的设备文件外，每个分区也会对应一个块设备文件（如 /dev/sda1）。通过 lsblk （list block devices）命令可以看到所有块设备以及分区关系，示例如下（debian 12 默认 + 挂载两块 1G 的空硬盘）：

NAME   MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
sda      8:0    0   32G  0 disk 
├─sda1   8:1    0   31G  0 part /
├─sda2   8:2    0    1K  0 part 
└─sda5   8:5    0  975M  0 part [SWAP]
sdb      8:16   0    1G  0 disk 
sdc      8:32   0    1G  0 disk

有了块设备后，即可使用 mkfs.xxx 命令，对硬盘或分区进行格式化。

mkfs.ext4 /dev/sdb

之后就可以使用 mount 命令将这个磁盘 mount 到文件系统中了。

mkdir -p /mnt/test-disk1
mount -t ext4 /dev/sdb /mnt/test-disk1
# umount /mnt/test-disk1  # 恢复现场

此时这个文件系统就可以用了（注意， mount 命令只对本次启动有效，重启后将会失效）。

Linux 根目录的挂载和上述类似。即：在启动过程中，通过读取 /etc/fstab 配置文件（该文件的 UUID 可通过 blkid 命令查看），然后用 mount 系统调用挂载。

概述

上述介绍的分区，是将一个硬盘划分多个相互独立的区域，本质上是在当前硬盘中记录了每个区域的起始结束偏移量，难以实现如下场景：

分区空间调整，对一个分区的调整受限于前后分区的情况，基本难以扩缩容。
分区是针对单块硬盘的，分区的最大大小受限于磁盘的大小。

LVM (Logical Volume Manager) 逻辑卷管理（lvm2, kernel>=2.6），就来解决单 Linux 主机，多磁盘管理的技术，具有如下能力：

管理多块硬盘
自由扩缩容
软 RAID
快照

简单来说， LVM 就是在多个块设备（PV）之上，虚拟出多个块设备（LV）。

核心概念

VG (Volume Group) 卷组，可以理解为存储池。
PV (Physical Volume) 物理卷，对应一个块设备可以是整块磁盘或某个物理分区。一个 PV 如果要被使用，必须加入一个 VG。
LV (Logical Volume) 逻辑卷，LVM 生成的虚拟块设备。从 VG 中创建，必然属于某个 VG。

安装

apt install lvm2

lvm 分为两个部分：内核和命令行工具。debian 12 内核相关功能已存在，如上命令会安装 lvm2 命令行工具。

场景

参考: lvm(8) - Linux man page

实验环境

debian 12 附加两块 1 G 的硬盘，所有命令以 root 用户执行。

创建存储池（PV 和 VG）

# 查看块设备
lsblk
# 创建 pv
pvcreate /dev/sdb  # 将块设备格式化为 pv，该盘所有数据将丢失！
pvcreate /dev/sdc  # 将块设备格式化为 pv，该盘所有数据将丢失！
pvs                # 打印所有 pv
# 创建 vg
vgcreate VG_TEST /dev/sdb /dev/sdc
vgdisplay VG_TEST  # 打印某 vg 属性

创建文件系统（LV）

# 创建 lv
lvcreate -L 500M -n lv_test1 VG_TEST
lvs  # 查看所有 lv
# 查看对应的块设备（位于 /dev/mapper/ 目录下以及 /dev/<VG_NAME>/<LV_NAME>）
ls -al /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1
mkfs.ext4 /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1  # 格式化文件系统
mkdir -p /mnt/test-lv1
mount -t ext4 /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1 /mnt/test-lv1  # 挂载
echo abc > /mnt/test-lv1/abc
cat /mnt/test-lv1/abc
df -h /mnt/test-lv1
# umount /mnt/test-lv1  # 恢复现场

文件系统在线扩容 (LV)

# 第一步: 扩容 LV
lvresize -L +700M /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1
lvs
# 第二步: 文件系统扩容 (ext4 文件系统支持，其他文件系统可能不支持)
resize2fs /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1
df -h /mnt/test-lv1

注意：

不要求 umount
执行顺序不能颠倒

文件系统离线缩容 (LV)

# 第一步： umount
umount /mnt/test-lv1
# 第二步： 检查文件系统 (ext4 文件系统支持，其他文件系统可能不支持)
e2fsck -f /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1
# 第三步： 文件系统缩容 (ext4 文件系统支持，其他文件系统可能不支持)
resize2fs /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1 500M
# 第四步： 缩容 LV
lvreduce -L 500M /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1
# 验证
mount -t ext4 /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1 /mnt/test-lv1  # 挂载
cat /mnt/test-lv1/abc
df -h /mnt/test-lv1
# umount /mnt/test-lv1  # 恢复现场

注意：

必须要 umount
执行顺序不能颠倒

硬盘迁移到新设备

注意：如下是不停机迁移，如果旧设备可以关机，则直接关机将硬盘插入新设备即可，无需做任何操作。

如下命令在旧设备中执行。

# 0. 卸载 lv 所有挂载点
# umount /mnt/test-lv1
# 1. 停用所有 lv
lvchange -an /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1
# 2. 停用卷组
vgchange -an VG_TEST
# 3. 导出卷组
vgexport VG_TEST

拔下所有硬盘，插入新设备。

如下命令在新设备中执行。

# 1. 扫描 pv
pvscan
vgs
# 2. 导入 vg
vgimport VG_TEST
# 3. 激活 vg
vgchange -ay VG_TEST
# 4. 挂载到挂载点
mkdir -p /mnt/test-lv1
mount -t ext4 /dev/mapper/VG_TEST-lv_test1 /mnt/test-lv1  # 挂载
cat /mnt/test-lv1/abc

扩充存储池（VG）

pvcreate /dev/sdd
vgextend VG_TEST /dev/sdd

软 RAID

略，参见：