Oracle Cloud Ubuntu VM 从 ext4 原地转换到 Btrfs

记录一下把 Oracle Cloud 上的 Ubuntu 26.04 ARM VM 从 ext4 原地转换为 Btrfs 的过程。

WARNING: 本文操作涉及文件系统级别的原地转换，一旦出错数据将无法恢复。我的 VM 是一台空白机器，没有任何重要数据，所以才敢这么操作。如果你的机器上有任何你不想丢的东西，请务必先做好完整备份（Oracle Cloud 的 Boot Volume Backup、rsync 到远端、dd 镜像等），确认备份可恢复之后再动手。文件系统转换失败 + 没有备份 = 数据全灭，没有后悔药。

背景

Oracle Cloud 免费 ARM 实例，150G 磁盘，系统盘只有一个 ext4 根分区。想用上 Btrfs 的透明压缩、快照和子卷管理，但不想重装系统。

方案：initramfs 钩子 + btrfs-convert

核心思路：根分区在挂载状态下无法转换，所以利用 initramfs 的 local-premount 阶段——此时根分区尚未挂载——执行 btrfs-convert。

1. 安装 btrfs-progs

sudo apt install btrfs-progs

2. 创建 initramfs 钩子

将 btrfs-convert 和 btrfs 二进制打包进 initramfs：

# /etc/initramfs-tools/hooks/btrfs-convert
#!/bin/sh
set -e
PREREQ=""
prereqs() { echo "$PREREQ"; }
case $1 in prereqs) prereqs; exit 0;; esac
. /usr/share/initramfs-tools/hook-functions
copy_exec /usr/bin/btrfs-convert /usr/bin
copy_exec /usr/bin/btrfs /usr/bin

在 root 挂载前执行转换。注意 btrfs-convert 会生成新的 UUID，所以脚本里需要同时更新 GRUB 配置，否则重启后内核找不到 root 会掉进 initramfs shell：

# /etc/initramfs-tools/scripts/local-premount/btrfs-convert
#!/bin/sh
set -e
PREREQ=""
prereqs() { echo "$PREREQ"; }
case $1 in prereqs) prereqs; exit 0;; esac
ROOT_DEV="/dev/sda1"
FSTYPE=$(blkid -s TYPE -o value "$ROOT_DEV" 2>/dev/null || true)
if [ "$FSTYPE" = "ext4" ]; then
    OLD_UUID=$(blkid -s UUID -o value "$ROOT_DEV")
    echo ">>> Converting $ROOT_DEV from ext4 to btrfs..."
    btrfs-convert "$ROOT_DEV"
    btrfs filesystem label "$ROOT_DEV" cloudimg-rootfs
    NEW_UUID=$(blkid -s UUID -o value "$ROOT_DEV")
    # 更新 GRUB 配置中的 UUID，/boot 是独立分区需要先挂载
    if [ "$OLD_UUID" != "$NEW_UUID" ]; then
        echo ">>> UUID changed: $OLD_UUID -> $NEW_UUID, updating GRUB..."
        mkdir -p /tmp/boot
        mount /dev/sda16 /tmp/boot
        sed -i "s/$OLD_UUID/$NEW_UUID/g" /tmp/boot/grub/grub.cfg
        umount /tmp/boot
    fi
    echo ">>> Conversion complete."
fi

3. 更新 fstab 和 GRUB 默认配置

fstab 改用 LABEL= 挂载（不受 UUID 变更影响）：

LABEL=cloudimg-rootfs  /  btrfs  defaults,noatime,compress=zstd  0 0

同时在 /etc/default/grub 里也建议改用 LABEL，避免将来 update-grub 又写回旧 UUID。

4. 重建 initramfs 并重启

sudo update-initramfs -u -k all
sudo reboot

子卷重排

转换后所有数据在顶层子卷 (subvolid=5)。参照 Arch 的常见布局，创建子卷并迁移数据：

子卷	挂载点	用途
`@`	`/`	根，快照主体
`@home`	`/home`	独立于根快照
`@log`	`/var/log`	排除日志
`@cache`	`/var/cache`	排除缓存
`@tmp`	`/var/tmp`	排除临时文件

# 挂载顶层子卷
mount -t btrfs -o subvolid=5 /dev/sda1 /mnt/btrfs-top

# 创建子卷
for sv in @ @home @log @cache @tmp; do
    btrfs subvolume create /mnt/btrfs-top/$sv
done

# rsync 迁移数据
rsync -aAX --exclude='/home/*' --exclude='/var/log/*' \
    --exclude='/var/cache/*' --exclude='/var/tmp/*' \
    --exclude='/proc/*' --exclude='/sys/*' --exclude='/dev/*' \
    --exclude='/run/*' --exclude='/tmp/*' \
    /mnt/btrfs-top/ /mnt/btrfs-top/@/

rsync -aAX /mnt/btrfs-top/home/ /mnt/btrfs-top/@home/
rsync -aAX /mnt/btrfs-top/var/log/ /mnt/btrfs-top/@log/
rsync -aAX /mnt/btrfs-top/var/cache/ /mnt/btrfs-top/@cache/
rsync -aAX /mnt/btrfs-top/var/tmp/ /mnt/btrfs-top/@tmp/

# 设置默认子卷
btrfs subvolume set-default /mnt/btrfs-top/@

更新 fstab 为各子卷独立挂载，GRUB 加上 rootflags=subvol=/@，重启即可。

透明压缩效果

转换后对全盘做一次 btrfs filesystem defragment -r -czstd /，让旧文件也吃到压缩：

Type       Perc     Disk Usage   Uncompressed Referenced
TOTAL       55%      2.2G         4.0G         4.0G
none       100%      1.0G         1.0G         1.0G
zstd        40%      1.2G         2.9G         2.9G

4G 数据压到 2.2G，zstd 部分压缩率 40%。

定期维护

Ubuntu 的 btrfs-progs 不自带 systemd timer，需要额外安装：

sudo apt install btrfsmaintenance
sudo systemctl enable --now btrfs-scrub.timer btrfs-balance.timer

配置 /etc/default/btrfsmaintenance：

scrub: 月度（校验数据完整性）
balance: 月度（回收碎片空间）
挂载点都是“auto”，自动所有Btrfs挂载点

最终挂载参数

noatime,compress=zstd:3,discard=async,space_cache=v2

其中 discard=async 和 space_cache=v2 是内核默认启用的，不需要显式写在 fstab 里。

Podman + Btrfs

如果你在 Btrfs 上跑容器，推荐用 Podman——它原生支持 btrfs 作为 storage driver。在 /etc/containers/storage.conf 里设置：

[storage]
driver = "btrfs"

相比 Docker 默认的 overlay2，btrfs driver 的每一层镜像都是一个 btrfs 子卷，层与层之间通过原生 CoW 实现，不需要 overlayfs 的联合挂载。实际收益：

去重更容易：btrfs 支持块级去重，用 bees 或 duperemove 跑一遍，多个镜像之间共享的相同内容会自动合并为同一份物理数据，对镜像多的机器省空间效果显著
可以单独快照：每个容器的子卷都可以独立做 btrfs 快照，方便备份或回滚特定容器的状态，粒度比整盘快照细得多
与宿主文件系统统一：不需要额外的 loopback 设备或独立分区，容器存储和宿主共享同一个 btrfs 池，空间管理更灵活

bees 去重实测

Ubuntu 官方源里没有 bees，需要自己编译安装。我给 hash table 分配了 256MB，跑完之后效果：

Processed 156002 files, 76692 regular extents (93035 refs), 64930 inline.
Type       Perc     Disk Usage   Uncompressed Referenced
TOTAL       50%      1.8G         3.5G         5.1G
none       100%      911M         911M         1.1G
zstd        34%      941M         2.6G         3.9G

对比之前没有容器时的数据（4.0G referenced / 2.2G disk usage），加了容器镜像之后 referenced 涨到了 5.1G，但 disk usage 反而从 2.2G 降到了 1.8G——这就是去重的威力：多个容器镜像之间大量的共享层被合并成同一份物理数据，加上 zstd 压缩率从 40% 进一步降到 34%，实际占用比转换 Btrfs 之初还少。

注意事项：Btrfs 与数据库/VM 磁盘镜像

Btrfs 的 CoW 语义对虚拟机磁盘镜像和大多数数据库来说是个坑。VM 镜像（qcow2、raw）和数据库数据文件会产生大量随机小写入，CoW 导致碎片化严重、性能急剧下降。对于这类场景，建议：

VM 磁盘镜像 / 传统数据库（PostgreSQL、MySQL 等）：将其放在单独的子卷上并禁用 CoW（chattr +C 或挂载选项 nodatacow），或者干脆用 ext4/XFS 的独立分区
SQLite：SQLite 默认的 rollback journal 模式在 CoW 文件系统上有双重写入放大的问题，但开启 WAL 模式后就没什么问题了——WAL 是追加写入，和 CoW 不冲突。开启方法：
```
PRAGMA journal_mode=WAL;
```
这条 PRAGMA 只需执行一次，设置会持久化到数据库文件中，后续连接自动使用 WAL 模式。也可以在命令行里一行搞定：
```
sqlite3 your.db "PRAGMA journal_mode=WAL;"
```

背景#

方案：initramfs 钩子 + btrfs-convert#

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2. 创建 initramfs 钩子#

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子卷重排#

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最终挂载参数#

Podman + Btrfs#

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注意事项：Btrfs 与数据库/VM 磁盘镜像#

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