LVM : 简介

在对磁盘分区的大小进行规划时，往往不能确定这个分区要使用的空间的大小。而使用 fdisk、gdisk 等工具对磁盘分区后，每个分区的大小就固定了。如果分区设置的过大，就白白浪费了磁盘空间；如果分区设置的过小，就会导致空间不够用的情况出现。对于分区过小的问题，可以从新划分磁盘的分区，或者通过软连接的方式将此分区的目录链接到另外一个分区。这样虽然能够临时解决问题，但是给管理带来了麻烦。类似的问题可以通过 LVM 来解决。
说明：本文的演示环境为 ubuntu 16.04。

LVM 是什么

LVM 是 Logical Volume Manager 的缩写，中文一般翻译为 "逻辑卷管理"，它是 Linux 下对磁盘分区进行管理的一种机制。LVM 是建立在磁盘分区和文件系统之间的一个逻辑层，系统管理员可以利用 LVM 在不重新对磁盘分区的情况下动态的调整分区的大小。如果系统新增了一块硬盘，通过 LVM 就可以将新增的硬盘空间直接扩展到原来的磁盘分区上。

LVM 的优点如下：

• 文件系统可以跨多个磁盘，因此大小不再受物理磁盘的限制。
• 可以在系统运行状态下动态地扩展文件系统大小。
• 可以以镜像的方式冗余重要数据到多个物理磁盘上。
• 可以很方便地导出整个卷组，并导入到另外一台机器上。

LVM 也有一些缺点：

• 在从卷组中移除一个磁盘的时候必须使用 reducevg 命令(这个命令要求root权限，并且不允许在快照卷组中使用)。
• 当卷组中的一个磁盘损坏时，整个卷组都会受影响。
• 因为增加了一个逻辑层，存储的性能会受影响。

LVM 的优点对服务器的管理非常有用，但对于桌面系统的帮助则没有那么显著，所以需要我们根据使用的场景来决定是否应用 LVM。

LVM 中的基本概念

通过 LVM 技术，可以屏蔽掉磁盘分区的底层差异，在逻辑上给文件系统提供了一个卷的概念，然后在这些卷上建立相应的文件系统。下面是 LVM 中主要涉及的一些概念。
物理存储设备(Physical Media)：指系统的存储设备文件，比如 /dev/sda、/dev/sdb 等。
PV(物理卷 Physical Volume)：指硬盘分区或者从逻辑上看起来和硬盘分区类似的设备(比如 RAID 设备)。
VG(卷组 Volume Group)：类似于非 LVM 系统中的物理硬盘，一个 LVM 卷组由一个或者多个 PV(物理卷)组成。
LV(逻辑卷 Logical Volume)：类似于非 LVM 系统上的磁盘分区，LV 建立在 VG 上，可以在 LV 上建立文件系统。
PE(Physical Extent)：PV(物理卷)中可以分配的最小存储单元称为 PE，PE 的大小是可以指定的。
LE(Logical Extent)：LV(逻辑卷)中可以分配的最小存储单元称为 LE，在同一个卷组中，LE 的大小和 PE 的大小是一样的，并且一一对应。
可以这么理解，LVM 是把硬盘的分区分成了更小的单位(PE)，再用这些单元拼成更大的看上去像分区的东西(PV)，进而用 PV 拼成看上去像硬盘的东西(VG)，最后在这个新的硬盘上创建分区(LV)。文件系统则建立在 LV 之上，这样就在物理硬盘和文件系统中间添加了一层抽象(LVM)。下图大致描述了这些概念之间的关系：

对上图中的结构做个简单的介绍：
两块物理硬盘 A 和 B 组成了 LVM 的底层结构，这两块硬盘的大小、型号可以不同。PV 可以看做是硬盘上的分区，因此可以说物理硬盘 A 划分了两个分区，物理硬盘 B 划分了三个分区。然后将前三个 PV 组成一个卷组 VG1，后两个 PV 组成一个卷组 VG2。接着在卷组 VG1 上划分了两个逻辑卷 LV1 和 LV2，在卷组 VG2 上划分了一个逻辑卷 LV3。最后，在逻辑卷 LV1、LV2 和 LV3 上创建文件系统，分别挂载在 /usr、/home 和 /var 目录。

LVM 工具

在安装 ubuntu16.04 时，如果选择使用 LVM 创建分区，就会安装 LVM 相关的工具。当前这个软件包的名称为 lvm2，其中包含了大量 LVM 工具(笔者会在随后的文章中介绍其中一些工具的用法)。比如单是查看 LVM 相关实体状态的命令就有如下一些：

$ sudo pvscan
$ sudo pvs
$ sudo pvdisplay

$ sudo vgscan
$ sudo vgs
$ sudo vgdisplay

$ sudo lvscan
$ sudo lvs
$ sudo lvdisplay

如果安装系统时没有默认安装 LVM 工具包，可以通过下面的命令安装它们：

$ sudo apt update
$ sudo apt install lvm2

接下来我们通过例子来演示如何使用 LVM 来一步步的创建出逻辑卷(LV)，然后在 LV 上创建文件系统并挂载到 Linux 系统中。

使用 gdisk 对物理磁盘进行分区

目前常见的磁盘分区格式有两种，MBR 分区和 GPT 分区：
MBR 分区，MBR 的意思是 "主引导记录"。MBR 最大支持 2TB 容量，在容量方面存在着极大的瓶颈。
GPT 分区，GPT 意为 GUID 分区表，它支持的磁盘容量比 MBR 大得多。这是一个正逐渐取代 MBR 的新标准，它是由 UEFI 辅住而形成的，将来 UEFI 用于取代老旧的 BIOS，而 GPT 则取代老旧的 MBR。
笔者在《Linux 磁盘与磁盘分区》一文中介绍了使用 fdisk 工具创建 MBR 磁盘分区的方式，gdisk 是 Linux 系统中 GPT 格式的磁盘分区管理工具。这里我们仅介绍如何使用 gdisk 创建新的磁盘分区。假设我们的 Linux 系统中增加了一块新的磁盘，系统对应的设备名为 /dev/sdd，下面我们通过 gdisk 命令对这个磁盘进行分区。

在用 gdisk 命令对磁盘分区前，我们先用 parted 命令查看 /dev/sdd 当前的分区情况：

$ sudo parted /dev/sdd print

结果显示这是一块尚未创建分区表的磁盘(Model 显示该磁盘是通过 VMware 创建的虚拟磁盘)。下面通过 gdisk 命令创建分区：

$ sudo gdisk /dev/sdd

通过 p 命令可以查看磁盘当前的状态：

输出中的前几行是磁盘的基本信息，比如总大小为 20G，一共有多少个扇区(sector)，每个扇区的大小，当前剩余的空间等等。然后是已经存在的分区信息(上图显示还没有任何分区)：
第一列 Number 显示了分区的编号，比如 1 号指 /dev/sdd1。
第二列 Start 表示磁盘分区的起始位置。
第三列 End 表示磁盘分区的结束位置。
第四列 Size 显示分区的容量。
第五列 Code 和第六列 Name 显示分区类型的 ID和名称，比如 Linux filesystem 为 8300，Linux swap 为 8200，Linux LVM 为 8e00。
下面通过 n 命令来创建新分区：

分区编号和开始/结束的扇区都直接通过回车选择默认值，这样所有的磁盘空间都划分到了一个分区中，然后输入 8e00 说明我们要创建的分区类型为 Linux LVM。最后输入 w 命令并确认执行分区操作。分区成功后可通过 p 命令查看我们创建的分区的信息：

此时可以看到新产生的设备文件 /dev/sdd1：

创建物理卷 PV

现在我们可以基于磁盘分区 /dev/sdd1 来创建 LVM 物理卷(LV)，可以通过 pvcreate 命令来完成：

$ sudo pvcreate /dev/sdd1

此时 /dev/sdd1 已经完成了从磁盘分区到 PV 的华丽转身！注意上面的命令，磁盘分区被直接转换成了 PV，连名称都没有变化！我们可以通过 pvs 命令查看 /dev/sdd1，目前它还没有被加入到 VG 中：

创建卷组 VG

基于一个或多个 PV，可以创建 VG。我们使用刚才创建的 PV /dev/sdd1 来创建一个名称为 nickvg 的 VG：

$ sudo vgcreate -s 32M nickvg /dev/sdd1

注意 vgcreate 命令中的 -s 选项，它指定了 PE(Physical Extent) 的大小。可以通 vgs 命令观察 VG 的信息：

$ sudo vgs nickvg

如果目标 VG 已经存在，则使用 vgextend 把 PV 加入到 VG 中即可。

创建逻辑卷 LV

有了 VG 就可以创建逻辑卷 LV 了，lvcreate 命令用来创建 LV，让我们在前面创建的 nickvg 上创建名称为 nicklv00 的 LV：

$ sudo lvcreate -L 15G -n nicklv00 nickvg

选项 -L 指定新建 LV 的容量，这里是 15G；选项 -n 则指定新建 LV 的名称，这里为 nicklv00。可以通过 lvs 命令观察 LV 的信息，注意需要同时指出 LV 所在的 VG：

格式化逻辑卷(创建文件系统)

当我们创建 LV nickvg/nicklv00 时，其实是创建了名称为 /dev/nickvg/nicklv00 的设备文件：

现在我们来格式化这个逻辑卷(在该 LV 上创建文件系统)，目标为比较常见的 ext4 格式：

$ sudo mkfs.ext4 /dev/nickvg/nicklv00

然后创建个目录，比如 /home/doc，并把新建的文件系统挂载到这个目录上：

$ sudo mkdir /home/doc
$ sudo mount /dev/nickvg/nicklv00 /home/doc

最后可以通过 df 命令查看这个文件系统的使用情况：

开机自动挂载

编辑 /etc/fstab 文件：

$ sudo vim /etc/fstab

把下面的行添加的文件末尾并保存文件：

/dev/mapper/nickvg-nicklv00 /home/doc       ext4    defaults              

总结

本文介绍了 LVM 的基本概念，并从头开始以 LVM 的方式创建了一个文件系统。笔者故意忽略了很多的细节和 LVM 的强大功能，目的是让这个入门的 demo 看起来更简单一些。在后续的文章中笔者会介绍更多详细的内容以展示 LVM 的丰富功能。

参考：
LVM (简体中文)
LVM 的工作原理和优缺点
在Linux中使用LVM构建灵活的磁盘存储