Linux 中的 LVM：物理卷、卷组与逻辑卷实践指南

LVM（Logical Volume Manager）是 Linux 中的逻辑卷管理器，它把文件系统与物理磁盘分离开来。与其把 /var 固定绑定到分区 /dev/sdb1，不如把磁盘放进一个共享池，再按需要的大小切出卷。空间不够时，一条命令就能扩大卷，无需重启，也不必停止服务。下面介绍 Linux 中 LVM 的工作原理，如何从零创建卷、扩容、制作快照，以及如何避免数据丢失等常见错误。

为什么需要 LVM，普通分区不够吗

普通分区是某块磁盘上一段连续的空间。它的大小在分区时就确定了，只有紧接着的空间空闲时才能扩大。磁盘用完后，就得买新盘、迁移数据、修改 /etc/fstab，并在此期间停止服务。

LVM 解决三类问题：

• 灵活的大小。 逻辑卷可以随时扩大（对于 ext4，还可以缩小）。
• 合并磁盘。 多块物理磁盘组成一个池，一个卷甚至可以同时跨越两块磁盘。
• 快照。 在升级、迁移数据库或其他高风险操作之前，对卷做即时的副本。

因此 Ubuntu Server、RHEL、Rocky 和 AlmaLinux 的安装程序默认都会提供 LVM，而数据服务器上几乎总会使用它。

LVM 的三个层次：PV、VG 和 LV

LVM 的全部逻辑可以归结为三个概念。可以这样类比：磁盘是几袋面粉，卷组是共用的仓库，逻辑卷则是从仓库里称出的一份份面粉。

在卷组内部，空间被划分为区段（PE，physical extents），即固定大小的块，默认为 4 MiB。逻辑卷就是一组区段，它们不必连续，可以位于不同的磁盘上。正因如此，卷很容易扩展：LVM 可以从任何地方为它补充空闲区段。

逻辑卷的设备可以通过两个等价的路径访问：/dev/data_vg/app 和 /dev/mapper/data_vg-app。在底层，它是内核的 device-mapper 设备。

查看现有的 LVM 配置

首先确认软件包已安装：在 Debian 和 Ubuntu 中是 lvm2（sudo apt install lvm2），RHEL 系列默认已安装。查看概览可以用简短或详细的命令：

$ sudo pvs
  PV         VG      Fmt  Attr PSize   PFree
  /dev/sdb   data_vg lvm2 a--  <20.00g      0
  /dev/sdc   data_vg lvm2 a--  <20.00g  <10.00g

$ sudo vgs
  VG      #PV #LV #SN Attr   VSize  VFree
  data_vg   2   1   0 wz--n- 39.99g <10.00g

$ sudo lvs
  LV   VG      Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%
  app  data_vg -wi-ao---- 30.00g

详细信息可以用 pvdisplay、vgdisplay 和 lvdisplay 查看。要同时看到普通分区，使用 lsblk：逻辑卷会显示为类型 lvm。

$ lsblk /dev/sdb /dev/sdc
NAME             MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
sdb                8:16   0  20G  0 disk
└─data_vg-app    253:0    0  30G  0 lvm  /srv/app
sdc                8:32   0  20G  0 disk
└─data_vg-app    253:0    0  30G  0 lvm  /srv/app

可以看到，30 GB 的卷 app 同时位于两块 20 GB 的磁盘上，这是普通分区做不到的。

从零开始的 LVM：从裸磁盘到挂载的卷

假设服务器新增了一块空磁盘 /dev/sdb，需要为应用数据准备一个 15 GB 的卷。请先用 lsblk 核对磁盘名称：下面的所有命令都会销毁指定设备上的数据。

第 1 步：创建物理卷

$ sudo pvcreate /dev/sdb
  Physical volume "/dev/sdb" successfully created.

可以把整块磁盘交给 LVM，也可以先用 fdisk 或 parted 创建类型为“Linux LVM”的分区，再指定它（/dev/sdb1）。使用分区对其他管理员更直观，也能防止有人在 LVM 上误做分区；而整块磁盘在云环境中更容易扩容。

第 2 步：创建卷组

$ sudo vgcreate data_vg /dev/sdb
  Volume group "data_vg" successfully created

第 3 步：切出逻辑卷

$ sudo lvcreate -n app -L 15G data_vg
  Logical volume "app" created.

参数 -L 指定绝对大小，-l 以区段数或百分比指定大小：-l 100%FREE 占用卷组中全部空闲空间，-l 50%VG 占用卷组的一半。建议在卷组中保留一部分空闲空间，以后可以分配给任何卷，或用于快照。

第 4 步：文件系统和挂载

$ sudo mkfs.ext4 /dev/data_vg/app
$ sudo mkdir -p /srv/app
$ sudo mount /dev/data_vg/app /srv/app
$ df -h /srv/app
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/data_vg-app   15G   24K   14G   1% /srv/app

要让逻辑卷在重启后自动挂载，需要在 /etc/fstab 中添加一行。对于逻辑卷，/dev/mapper/... 路径是稳定的，所以可以使用它，也可以使用 blkid 给出的 UUID：

/dev/mapper/data_vg-app  /srv/app  ext4  defaults  0 2

重启前用 sudo mount -a 检查这一行：fstab 中的错误可能使服务器进入紧急模式。

如何在不停止服务的情况下扩展 LVM 卷

这正是喜欢 LVM 的主要原因。卷在挂载的文件系统上扩大，应用可以继续写入数据。具体步骤取决于卷组中是否还有空闲空间。

卷组中有空闲空间

$ sudo vgs data_vg
  VG      #PV #LV #SN Attr   VSize   VFree
  data_vg   1   1   0 wz--n- <20.00g <5.00g

$ sudo lvextend -r -L +4G /dev/data_vg/app
  Size of logical volume data_vg/app changed from 15.00 GiB to 19.00 GiB.
  Logical volume data_vg/app successfully resized.
resize2fs 1.47.0
Filesystem at /dev/mapper/data_vg-app is mounted on /srv/app; on-line resizing required

关键参数是 -r（--resizefs）：它在扩大卷之后立即扩展文件系统。如果没有它，卷会变大，但 df -h 仍显示旧的大小，因为文件系统并不知道多出来的空间。这是最常见的错误：此时只需手动执行 ext4 的 resize2fs 或 XFS 的 xfs_growfs。

$ sudo resize2fs /dev/data_vg/app      # ext4，指定设备
$ sudo xfs_growfs /srv/app             # XFS，指定挂载点

注意区别：-L +4G 表示增加 4 GB，-L 4G 表示把最终大小设为 4 GB。要把剩余的所有空间都给卷，使用 -l +100%FREE。

卷组空间用完：添加磁盘

接入新磁盘（在云中则是挂载新的云盘），用 lsblk 找到它，并添加到卷组中：

$ sudo pvcreate /dev/sdc
$ sudo vgextend data_vg /dev/sdc
  Volume group "data_vg" successfully extended
$ sudo lvextend -r -l +100%FREE /dev/data_vg/app

三条命令，无需停机。文件系统现在位于两块磁盘上，而应用对此毫无察觉。

云中磁盘已经扩容

在云环境中，通常不必添加新磁盘，而是直接扩大现有的磁盘。这时内核会看到设备的新大小，需要用 pvresize 扩展物理卷：

$ sudo pvresize /dev/sdb
  Physical volume "/dev/sdb" changed
$ sudo lvextend -r -l +100%FREE /dev/data_vg/app

如果 PV 建立在分区（/dev/sdb1）上，先扩大分区，例如使用 cloud-guest-utils 软件包中的 growpart /dev/sdb 1，然后再执行 pvresize /dev/sdb1。

LVM 卷能否缩小

可以，但并非所有文件系统都支持，而且不能在运行中进行。XFS 根本不支持缩小，只能重新创建并迁移数据。ext4 可以缩小，但必须在卸载状态下进行：

$ sudo umount /srv/app
$ sudo lvreduce -r -L 10G /dev/data_vg/app

加上 -r 后，LVM 会在缩小之前自动检查文件系统（e2fsck）并将其压缩。如果不加 -r，很容易把卷缩得比文件系统还小，从而损坏数据。缩小之前务必先做备份。

LVM 快照：高风险操作前的卷副本

快照是逻辑卷的即时副本。它几乎瞬间完成，并不复制全部数据：LVM 采用写时复制（copy-on-write）机制，只把快照创建之后在原卷上发生变化的数据块保存到快照中。因此快照只需要卷组中用于存放变化数据的空间，而不需要整个卷的空间。

$ sudo lvcreate -s -n app_before_upgrade -L 2G /dev/data_vg/app
  Logical volume "app_before_upgrade" created.

$ sudo lvs data_vg
  LV                 VG      Attr       LSize  Origin Data%
  app                data_vg owi-aos--- 19.00g
  app_before_upgrade data_vg swi-a-s---  2.00g app    0.01

列 Data% 显示用于保存变化数据的空间占用了多少。如果达到 100%，经典快照会失效，只能删除。请按预期的变化量留出足够的余量，并通过 lvs 监控长期存在的快照，或使用 lvextend 扩大它们。

如何回滚到快照

如果升级出了问题，可以把卷恢复到快照时的状态：

$ sudo umount /srv/app
$ sudo lvconvert --merge /dev/data_vg/app_before_upgrade
  Merging of volume data_vg/app_before_upgrade started.
$ sudo mount /srv/app

合并完成后快照会消失。如果无法卸载该卷（例如它是系统根分区），合并会推迟到下次激活该卷时进行，也就是重启之后。

一切顺利时

直接删除快照，避免它继续拖慢写入并占用空间：

$ sudo lvremove /dev/data_vg/app_before_upgrade

快照很适合以只读方式挂载，用来为正在运行的系统做一致性备份：使用 mount -o ro，再通过 rsync 或 tar 复制。对于 XFS，需要加上 nouuid 选项，否则由于 UUID 与原卷相同，挂载会失败。

LVM 与 RAID：不要混淆两者的用途

LVM 本身无法防止磁盘故障。如果一个卷横跨两块磁盘，其中一块损坏，整个卷都会丢失，而不只是一半。要获得容错能力，应在 LVM 下面使用 RAID（mdadm），或使用 LVM 内置的镜像模式（lvcreate --type raid1 -m 1）。

RAID 和快照都无法替代备份。快照与原卷位于同一批磁盘上，而 RAID 会忠实地镜像误执行的 rm -rf。需要在另一种存储介质上保存单独的副本。

LVM 命令速查表

常见错误

• 卷已扩大，但 df 仍显示旧大小。 忘记了 -r。执行 resize2fs 或 xfs_growfs。
• Insufficient free space。 卷组中没有空闲区段：用 vgs 检查，然后通过 vgextend 添加磁盘，或拉伸 PV。
• Device /dev/sdc excluded by a filter。 磁盘上还残留着旧的分区表或文件系统签名。如果确定其中的数据不需要，使用 wipefs -a /dev/sdc 清除。
• 快照变为 Invalid。 用于变化数据的空间达到了 100%。无法恢复，只能删除，下次应分配更多空间。

总结

Linux 中的 LVM 分为三层：物理卷（PV）组成卷组（VG），卷组中切出逻辑卷（LV）。这带来了普通分区没有的能力：用 lvextend -r 即时扩容，无停机地添加磁盘，以及在高风险改动前制作快照。要记住，LVM 无法替代 RAID，也无法替代备份。磁盘分区、LVM、RAID 和配额的实际操作，我们在 Linux 课程的讲座中都有演示。