使用 LVM Cache 为机械硬盘配置 SSD 缓存

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简介

本文介绍如何使用 Linux LVM Cache 将 SSD 作为机械硬盘（HDD）的缓存层，实现兼顾大容量与高性能的存储方案。

什么是 LVM Cache

LVM Cache 是 Linux LVM（Logical Volume Manager）基于 Device Mapper（dm-cache）提供的块设备缓存功能，可以将 SSD 作为 HDD 的高速缓存，而对文件系统和应用完全透明。

优点：

• 提高随机读写性能
• 保留 HDD 大容量
• 无需修改应用程序
• 支持 XFS、EXT4 等文件系统

工作原理

应用程序
    │
文件系统（XFS/EXT4）
    │
Logical Volume
    │
LVM Cache
 ├── SSD Cache
 └── HDD Data

读取时优先从 SSD 获取数据；缓存未命中时从 HDD 读取并自动缓存。写入时根据缓存模式决定是否先写入 SSD。

Writeback 与 Writethrough 模式

Writeback

• 性能最佳
• 后台回写 HDD
• SSD 损坏可能导致尚未回写的数据丢失

Writethrough

• 同时写 SSD 与 HDD
• 更安全
• 写入性能略低

开始配置

环境说明

以下是我的硬件配置：

• 固态硬盘（SSD）：/dev/nvme1n1
• 机械硬盘（HDD）：/dev/sda

以下是我创建的：

• VG：disk_cache
• Cache Pool：cachepool
• LV：disk

为 SSD 分区

由于我不想使用整个固态硬盘作为加速盘，因此我用 sudo fdisk /dev/nvme1n1 进行了分区。

最终创建了分区 /dev/nvme1n1p2，用于给机械硬盘加速。

创建 PV

PV（Physical Volume，物理卷）是 LVM 的核心。它可以是整块物理硬盘、RAID 磁盘阵列，或者是硬盘分区。当这些物理存储设备经过 LVM 初始化后，就会被赋予元数据并转化为供 LVM 调用的基本存储单元。

简单来说，就是创建 PV 后，就代表 LVM 可以管理这块硬盘或者分区了。

首先为 SSD 创建 PV，用以下命令：

sudo pvcreate /dev/nvme1n1p2

接着，用同样的命令为 HDD 创建 PV：

sudo pvcreate /dev/sda

如果 HDD 已使用过，可以先用命令 sudo wipefs -a /dev/sda 进行擦除。

创建 VG

在 LVM 中，VG（Volume Group，卷组）是将多块硬盘或分区整合在一起所形成的“集中存储池”。可以将 VG 理解为一个虚拟的大型硬盘，其容量等于组成它的所有物理设备的容量总和。

这里我们直接创建名为 disk_cache 的 VG，并将 /dev/nvme1n1p2 和 /dev/sda 加入到这个 VG。

sudo vgcreate disk_cache /dev/nvme1n1p2 /dev/sda

创建 LV

在 LVM 中，LV 代表（Logical Volume，逻辑卷）。它是 LVM 最终划分出来、供系统挂载并使用的逻辑分区。可以直接在其上创建文件系统（如 ext4 或 xfs），就像操作传统硬盘分区一样。

首先，为 SSD 创建缓存池，用命令：

sudo lvcreate --type cache-pool -n cachepool -l 100%PVS disk_cache /dev/nvme1n1p2

这样就创建好一个名叫 cachepool 的缓存池了。

接着创建 HDD 的 LV：

sudo lvcreate -n disk -l 100%PVS disk_cache /dev/sda

此时，HDD 就创建好了一个没有经过 SSD 加速的 LV 了。

启用 LVM Cache

这时候，我们只需要启用 LVM Cache，就能利用 SSD 为 HDD 进行加速了，如下命令：

sudo lvconvert \
--type cache \
--cachepool disk_cache/cachepool \
--cachemode writeback \
disk_cache/disk

格式化并挂载

先用格式化为 xfs 文件系统：

sudo mkfs.xfs -f /dev/disk_cache/disk

然后用以下命令挂载即可：

sudo mkdir -p /mnt/disk
sudo mount /dev/disk_cache/disk /mnt/disk

此时，用 lsblk 命令可以看见：

开机启动

首先，需要获取分区的 UUID 信息：

sudo blkid /dev/disk_cache/disk

然后用 vim 命令，写入 /etc/fstab 文件：

UUID=<UUID> /mnt/disk xfs defaults 0 0

最后用以下命令验证是否挂载成功即可：

sudo mount -a

其他

常用命令

查看缓存状态

sudo lvs
sudo lvs -a
sudo lvs -o +cache_mode
sudo lvs -o +data_percent
sudo lvs -o +metadata_percent
sudo lvs -o +cache_policy
sudo lvs -a -o +devices

推荐：

sudo lvs -o lv_name,vg_name,cache_mode,data_percent,metadata_percent,devices

Cache 调优

查看 Device Mapper：

sudo dmsetup status
sudo dmsetup table

切换模式：

sudo lvchange --cachemode writethrough disk_cache/disk
sudo lvchange --cachemode writeback disk_cache/disk

删除 Cache

sudo umount /mnt/disk
sudo lvconvert --splitcache disk_cache/disk

删除 Cache Pool：

sudo lvremove disk_cache/cachepool
sudo vgreduce disk_cache /dev/nvme1n1p2
sudo pvremove /dev/nvme1n1p2

常见问题

为什么缓存没有立即生效？

LVM Cache 会根据访问热点自动建立缓存，多次访问同一数据后命中率会逐渐提高。

SSD 损坏会怎样？

• Writeback：可能丢失未回写数据。
• Writethrough：通常不会丢失数据。

推荐搭配

• 家庭 NAS：Writeback + UPS + 企业级 SSD
• 重要数据：Writethrough

总结

LVM Cache 是一种块设备级缓存方案，能够在不改变应用程序的情况下，为机械硬盘提供 SSD 级的热点数据访问能力。对于 NAS、媒体服务器和大容量存储场景，推荐使用 Writeback + UPS + 企业级 SSD 获得最佳性能；对于关键数据，建议选择 Writethrough 模式以提升可靠性。