LVM

计算技术语

LVM是 Logical Volume Manager（逻辑卷管理）的简写，它是Linux环境下对磁盘分区进行管理的一种机制，它由Heinz Mauelshagen在Linux 2.4内核上实现，最新版本为：稳定版1.0.5，开发版 1.1.0-rc2，以及LVM2开发版。Linux用户安装Linux操作系统时遇到的一个常见的难以决定的问题就是如何正确地评估各分区大小，以分配合适的硬盘空间。普通的磁盘分区管理方式在逻辑分区划分好之后就无法改变其大小，当一个逻辑分区存放不下某个文件时，这个文件因为受上层文件系统的限制，也不能跨越多个分区来存放，所以也不能同时放到别的磁盘上。而遇到出现某个分区空间耗尽时，解决的方法通常是使用符号链接，或者使用调整分区大小的工具，但这只是暂时解决办法，没有从根本上解决问题。随着Linux的逻辑卷管理功能的出现，这些问题都迎刃而解，用户在无需停机的情况下可以方便地调整各个分区大小。

前言

每个Linux使用者在安装Linux时都会遇到这样的困境：在为系统分区时，如何精确评估和分配各个硬盘分区的容量，因为系统管理员不但要考虑到当前某个分区需要的容量，还要预见该分区以后可能需要的容量的最大值。因为如果估计不准确，当遇到某个分区不够用时管理员可能甚至要备份整个系统、清除硬盘、重新对硬盘分区，然后恢复数据到新分区。

虽然有很多动态调整磁盘的工具可以使用，例如PartitionMagic等等，但是它并不能完全解决问题，因为某个分区可能会再次被耗尽；另外一个方面这需要重新引导系统才能实现，对于很多关键的服务器，停机是不可接受的，而且对于添加新硬盘，希望一个能跨越多个硬盘驱动器的文件系统时，分区调整程序就不能解决问题。

因此完美的解决方法应该是在零停机前提下可以自如对文件系统的大小进行调整，可以方便实现文件系统跨越不同磁盘和分区。幸运的是Linux提供的逻辑盘卷管理（LVM，LogicalVolumeManager）机制就是一个完美的解决方案。

简介

逻辑卷管理器(LogicalVolumeManager)本质上是一个虚拟设备驱动，是在内核中块设备和物理设备之间添加的一个新的抽象层次，如图4-1所示。它可以将几块磁盘(物理卷，PhysicalVolume)组合起来形成一个存储池或者卷组(VolumeGroup)。LVM可以每次从卷组中划分出不同大小的逻辑卷(LogicalVolume)创建新的逻辑设备。底层的原始的磁盘不再由内核直接控制，而由LVM层来控制。对于上层应用来说卷组替代了磁盘块成为数据存储的基本单元。LVM管理着所有物理卷的物理盘区，维持着逻辑盘区和物理盘区之间的映射。LVM逻辑设备向上层应用提供了和物理磁盘相同的功能，如文件系统的创建和数据的访问等。但LVM逻辑设备不受物理约束的限制，逻辑卷不必是连续的空间，它可以跨越许多物理卷，并且可以在任何时候任意的调整大小。相比物理磁盘来说，更易于磁盘空间的管理。

从用户态应用来看，LVM逻辑卷相当于一个普通的块设备，对其的读写操作和普通的块设备完全相同。而从物理设备层来看，LVM相对独立于底层的物理设备，并且屏蔽了不同物理设备之间的差异。因而在LVM层上实现数据的连续保护问题，可以不需要单独考虑每一种具体的物理设备，避免了在数据复制过程中因物理设备之间的差异而产生的问题。从LVM的内核实现原理上看，LVM是在内核通用块设备层到磁盘设备驱动层的请求提交流之间开辟的另外一条路径，即在通用块设备层到磁盘设备驱动层之间插入了LVM管理映射层用于截获一定的请求进行处理，如图4-2所示。

用户通过lvm提供接口，依靠内核创建一系列LVM逻辑卷，所有对lvm逻辑卷的读写操作最终都会由LVM在通用块设备层下方截获下来，进行更进一步的处理。这里的进一步处理主要指的是完成写请求的映射，是将请求的数据根据实际情况进行一些拆分和重定位操作，从而可以将请求和数据分发到实际的物理设备中去。

基本术语

前面谈到，LVM是在磁盘分区和文件系统之间添加的一个逻辑层，来为文件系统屏蔽下层磁盘分区布局，提供一个抽象的存储卷，在存储卷上建立文件系统。首先我们讨论以下几个LVM术语：

指系统的物理存储设备：磁盘，如：/dev/hda、/dev/sda等，是存储系统最底层的存储单元。

指磁盘分区或从逻辑上与磁盘分区具有同样功能的设备（如RAID），是LVM的基本存储逻辑块，但和基本的物理存储介质（如分区、磁盘等）比较，却包含有与LVM相关的管理参数。

类似于非LVM系统中的物理磁盘，其由一个或多个物理卷PV组成。可以在卷组上创建一个或多个LV（逻辑卷）。

类似于非LVM系统中的磁盘分区，逻辑卷建立在卷组VG之上。在逻辑卷LV之上可以建立文件系统（比如/home或者/usr等）。

PE是物理卷PV的基本划分单元，具有唯一编号的PE是可以被LVM寻址的最小单元。PE的大小是可配置的，默认为4MB。所以物理卷（PV）由大小等同的基本单元PE组成。

逻辑卷LV也被划分为可被寻址的基本单位，称为LE。在同一个卷组中，LE的大小和PE是相同的，并且一一对应。

图1所示LVM抽象模型，展示了PV、VG、LV三者之间关系：

和非LVM系统将包含分区信息的元数据保存在位于分区的起始位置的分区表中一样，逻辑卷以及卷组相关的元数据也是保存在位于物理卷起始处的VGDA（卷组描述符区域）中。VGDA包括以下内容：PV描述符、VG描述符、LV描述符、和一些PE描述符。

系统启动LVM时激活VG，并将VGDA加载至内存，来识别LV的实际物理存储位置。当系统进行I/O操作时，就会根据VGDA建立的映射机制来访问实际的物理位置。

处理流程

从读写请求处理流程上看，支持逻辑卷管理LVM机制的Linux的I/O子系统对逻辑卷请求的处理流程大致如下：

(1) 文件系统首先调用具体的文件读写过程，将偏移和文件的起始位置转换为具体文件系统的数据块，同时将这些信息以buffer-head结构的形式传递到文件缓冲层(BUFFER层)。

(2) 缓冲层根据数据块的逻辑设备号和块号，将buffer-head结构转换成一个代表请求的bio结构，发向ivm映射层。

(3)Lvm内核处理程序，分析该请求，同时根据需要决定是否进行一些拆分操作，将该拆分后的请求转化到各自对应的磁盘，并将转换后的请求挂到真正的设备上。

(4) 最后由磁盘驱动程序完成读写过程，然后再将处理后的结构依次上上层传送到达文件系统。

上图中，ll-rw-block ()是文件系统和块设备的请求传递接口，所有块设备的读写请求都会首先由这个函数进行处理。文件系统提供给ll-rw-block ()的是一个buffer-head的数组，ll-rw-block ()对其中的每一个buffer_head结构调用submit_bh，将每一个buffer-head缓存结构封装成bio请求结构，然后调用submit—bio下发到具体的块设备。submit—bio会调用一个通用的generic_make_request 0方法，根据bio结构中指定的设备，调用该设备队列的make_request函数将请求挂载到相应的设备队列中去。对于LVM映射驱动来说，逻辑卷lvm设备队列的make_request函数就是lvm_make_request_fn。也就是说，对LVM的读写操作最终都会在这个地方被截获处理。内核在这里完成请求的拆分和重定向工作，进而调用generic make request重新确定请求的发送设备，通过具体设备队列操作函数make_request将请求发送到实际物理快设备中去。SnapCDP的主要工作就是在LVM映射层设计一定的策略和机制，实现连续数据保护功能。

优点

LVM通常用于装备大量磁盘的系统，但它同样适于仅有一、两块硬盘的小系统。

小系统使用LVM的益处

传统的文件系统是基于分区的，一个文件系统对应一个分区。这种方式比较直观，但不易改变：

1.不同的分区相对独立，无相互联系，各分区空间很易利用不平衡，空间不能充分利用；

2.当一个文件系统/分区已满时，无法对其扩充，只能采用重新分区/建立文件系统，非常麻烦；或把分区中的数据移到另一个更大的分区中；或采用符号连接的方式使用其它分区的空间。

3.如果要把硬盘上的多个分区合并在一起使用，只能

采用再分区的方式，这个过程需要数据的备份与恢复。当采用LVM时，情况有所不同：

1.硬盘的多个分区由LVM统一为卷组管理，可以方便的加入或移走分区以扩大或减小卷组的可用容量，充分利用硬盘空间；

2.文件系统建立在逻辑卷上，而逻辑卷可根据需要改变大小（在卷组容量范围内）以满足要求；

3.文件系统建立在LVM上，可以跨分区，方便使用；

大系统使用LVM的益处