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为什么文件系统和快照空间大小不一致？

有用户咨询，在ECS实例内删除文件后再打快照，发现快照容量并没有变小。出现该现象的原因与快照原理、以及文件系统与磁盘、快照的关系有关，即，只要被写过数据的存储块（Block），即使在磁盘中的相关文件已经被删除，数据块仍会被记录到快照中，所以出现快照比磁盘占用空间大的现象。文件系统中所谓删除只是在需要删除的文件头部做个标记，让用户知道这块空间可以利用了，但并不会减少磁盘本身的空间占用。

为什么文件系统和快照空间大小不一致？

用户在实例内部看到的是磁盘 (EBS)，在磁盘分区上创建的是文件系统 (File System)。文件系统负责管理磁盘空间，其操作最终均转化为磁盘的 I/O 请求。EBS 会记录 Block（指磁盘的逻辑块地址被块存储划分为相同大小的块）状态，按需将脏数据拷贝到 OSS，这就是打快照的过程。

以下原因可能会造成文件系统的空间与快照大小不一致：

文件系统本身的元数据会占用磁盘空间。

创建文件系统过程会写大量 Block。特别的，Windows 的慢速格式化会写脏大量 Block，而使用快速格式化可以减少写Block 的数量。

文件系统为了减小开销，删除文件只是在内部做个标记，而 EBS 不感知这个删除指令，Block 仍然是已分配状态，所以仍会把这部分也做到快照里，导致快照比文件系统大。

Virtio-block 和 Xen 的 Block-front 等模块不支持 TRIM 指令（一种IO指令，提示LBA上的某段数据不再使用，可以被删除），因而磁盘无法感知数据可以被删除。

创建快照原理

创建快照原理如下图所示。

说明：

将磁盘 LBA（逻辑块地址） 划分为 Block，未分配过的称为空块，图中白色小方框表示。

只要 Block 被写过（已分配，将不再是空块），就将参与计量。

磁盘第一个快照是全量，空块不拷贝。

磁盘后续快照是增量快照，拷贝自上一个快照以来的增量脏数据，因此同一个 Block 在不同快照中可能会出现多个版本（图中用不同颜色来表示）。

快照计量方法

如上图所示，快照记录空间共有 11 个 Block，比磁盘 T2 中的 9 个 Block 还要多出 2 个。

对单块磁盘的所有快照整体计量。

只对已分配的 Block 进行计量。不同时间点相同版本 Block 只统计一次。

不同版本的 Block 占用 N 倍空间。

删除快照的原理

删除快照的原理如下图所示。

说明：

离线分析已删除快照的所有 Block，删除其中未被其他快照引用的数据。

删除 S1 之后，剩下的快照一共有 10 个 Block（包含 S0 的 6 个、S1 产生的 2 个脏数据、S2 的 2 个。），而不是 8 个 Block（S0 的 6 个、S2 的 2 个）。

“数据写入操作”的准确定义

首先澄清一个概念，对底层分布式存储系统而言，“数据写入操作”不仅仅意味着用户写入的业务数据，也包括格式化磁盘等一系列I/O操作。

用户在拿到磁盘后，必须要先格式化才能正常使用。格式化的本质是建立文件系统的过程。一个分区或磁盘在作为文件系统使用前，需要初始化，并将数据结构记录到磁盘上，这个过程就叫建立文件系统。

因此，在磁盘上建立文件系统，也就意味着对磁盘有数据写入操作。不同的文件系统，在格式化时写入的文件大小也不尽相同，具体如下：

Windows系统格式化，分为快速和正常格式化：

快速格式化只是给分区分配文件系统，并重写目录表；

正常格式化不但会进行上述工作，还会对分区逐扇区进行扫描以确定和标记坏扇区；

因此正常格式化操作，会填充磁盘空块，相当于把磁盘全盘写了一遍。在此种情况下，第一个全量快照的大小会近似于磁盘容量。而快速格式化占用的实际空间则相对较少。

Linux系统格式化，也同样是建立文件系统的过程。因此刚刚格式化完毕的磁盘，在用户没有写入业务数据的时候，第一个快照也会有一定的容量大小，具体要看不同的文件系统格式而定。

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