Linux PV（物理卷）详解：从基础到实践

目录#

LVM 架构概览：PV 的定位
PV 定义与核心作用
PV 的核心组件：物理扇区与元数据
PV 的生命周期管理
- 4.1 准备物理设备
- 4.2 初始化 PV（pvcreate）
- 4.3 将 PV 加入卷组（VG）
- 4.4 扩展 PV 容量（pvresize）
- 4.5 从卷组中移除 PV（vgreduce）
- 4.6 删除 PV（pvremove）
PV 常用管理命令详解
- 5.1 查看 PV 信息（pvdisplay、pvs）
- 5.2 扫描系统中的 PV（pvscan）
- 5.3 检查 PV 元数据（pvck）
PV 最佳实践
- 6.1 物理设备选择：整盘 vs 分区
- 6.2 PE 大小的合理配置
- 6.3 元数据备份与恢复
- 6.4 避免混合存储类型（SSD/HDD）
- 6.5 监控 PV 健康状态
常见问题与故障排查
- 7.1 PV 无法被识别
- 7.2 PV 空间不足
- 7.3 元数据损坏
- 7.4 移除正在使用的 PV
总结
参考资料

1. LVM 架构概览：PV 的定位#

在深入 PV 之前，需先理解 LVM 的整体架构。LVM 采用三层结构，从下到上依次为：

物理卷（PV）：直接关联物理存储设备（如硬盘、分区、RAID 卷等），是 LVM 的最底层组件。
卷组（VG，Volume Group）：由一个或多个 PV 组成的逻辑存储池，可视为一个“虚拟磁盘”。
逻辑卷（LV，Logical Volume）：从 VG 中划分出的逻辑存储单元，可直接格式化并挂载使用，相当于传统分区。

三者关系如图所示（逻辑结构）：
物理设备（硬盘/分区）→ PV → VG → LV → 文件系统

PV 的核心作用是将物理存储设备“标记”为 LVM 可用，并抽象其底层细节（如设备类型、大小），为 VG 提供统一的存储资源。

2. PV 定义与核心作用#

物理卷（PV） 是指经过 LVM 初始化的物理存储设备（如 /dev/sda、/dev/sdb1）。初始化后，设备会被划分为多个物理扇区（PE，Physical Extent）——这是 LVM 管理的最小存储单元（类似文件系统的“块”）。

PV 的核心作用：#

抽象物理存储：屏蔽不同物理设备的差异（如接口类型、品牌），使 VG 可统一管理各类存储。
提供 PE 单元：将物理设备划分为固定大小的 PE（默认 4MB），VG 基于 PE 分配空间给 LV。
存储元数据：记录 PV 的 UUID、大小、PE 配置、所属 VG 等关键信息，确保 LVM 系统的一致性。

3. PV 的核心组件：物理扇区与元数据#

3.1 物理扇区（PE）#

PE 是 PV 的最小可分配单元，所有 PV 的 PE 大小必须与所属 VG 的 PE 大小一致（VG 创建时指定，后续不可修改）。例如，若 VG 的 PE 大小为 4MB，则其包含的所有 PV 均会被划分为 4MB 的 PE。

PE 的大小直接影响 VG 和 LV 的管理效率：

小 PE（如 1MB）：适合创建小容量 LV，空间利用率高，但元数据开销大。
大 PE（如 16MB）：适合大容量 VG/LV，元数据开销低，但小 LV 可能浪费空间。

3.2 元数据（Metadata）#

PV 的元数据是 LVM 系统的“大脑”，存储在 PV 的头部（通常占前几个扇区），包含以下关键信息：

PV 的 UUID（唯一标识）。
PV 的总大小、已使用/空闲 PE 数量。
所属 VG 的 UUID（若已加入 VG）。
PE 大小及配置。
元数据备份位置（默认保存在 PV 内部，也可指定外部文件）。

元数据损坏会导致 PV 无法被 LVM 识别，因此必须定期备份。

4. PV 的生命周期管理#

PV 的生命周期从物理设备准备开始，到最终删除结束，完整流程如下：

4.1 准备物理设备#

首先需确保物理设备（如硬盘 /dev/sdb 或分区 /dev/sdc1）可被系统识别，且未被其他服务占用。可通过 lsblk 或 fdisk -l 查看设备信息：

# 查看所有磁盘及分区
lsblk
# 检查设备是否被挂载
mount | grep /dev/sdb

注意：若设备已有分区或文件系统，需先卸载（umount）并删除分区（fdisk 或 parted），避免数据冲突。

4.2 初始化 PV（pvcreate）#

使用 pvcreate 命令将物理设备初始化为 PV。初始化过程会在设备头部写入元数据，并划分 PE。

基本语法：

pvcreate [选项] 设备路径

常用选项：

-v：显示详细过程（verbose）。
-f：强制初始化（即使设备已分区或有数据，谨慎使用）。
--metadatasize：指定元数据大小（默认 128MB，最小 1MB）。
--dataalignment：指定数据对齐方式（优化性能，如 --dataalignment 1m）。

示例：将 /dev/sdb 初始化为 PV：

pvcreate /dev/sdb
# 输出示例：
  Physical volume "/dev/sdb" successfully created.

若需初始化多个设备：

pvcreate /dev/sdb /dev/sdc

4.3 将 PV 加入卷组（VG）#

PV 需加入 VG 才能被 LVM 使用。通过 vgextend 命令将 PV 添加到指定 VG（若 VG 不存在，需先通过 vgcreate 创建）。

示例：创建 VG myvg 并添加 PV /dev/sdb：

# 创建 VG（PE 大小设为 8MB）
vgcreate -s 8M myvg /dev/sdb
# 向现有 VG 添加 PV
vgextend myvg /dev/sdc

此时，myvg 的总容量为所有 PV 容量之和（扣除元数据占用）。

4.4 扩展 PV 容量（pvresize）#

若物理设备容量扩容（如 RAID 扩容或替换更大磁盘），需通过 pvresize 更新 PV 的大小，使新增空间可被 VG 使用。

前提：物理设备的实际容量已增加（如通过 fdisk 扩展分区，或直接使用更大的磁盘）。

示例：扩展 /dev/sdb 的 PV 容量：

pvresize /dev/sdb
# 验证：查看 PV 大小是否更新
pvdisplay /dev/sdb

4.5 从卷组中移除 PV（vgreduce）#

若需将 PV 从 VG 中移除，需先确保 PV 上的 PE 未被 LV 使用（即 PV 处于“空闲”状态）。可通过 pvmove 迁移 PV 上的数据至其他 PV。

步骤：

迁移 PV 数据：

pvmove /dev/sdb  # 将 /dev/sdb 上的 PE 迁移到同 VG 中的其他 PV

从 VG 中移除 PV：
```
vgreduce myvg /dev/sdb
```

4.6 删除 PV（pvremove）#

若 PV 已从 VG 中移除，可通过 pvremove 删除其元数据，恢复为普通物理设备。

示例：

pvremove /dev/sdb
# 输出示例：
  Labels on physical volume "/dev/sdb" successfully wiped.

5. PV 常用管理命令详解#

5.1 查看 PV 信息#

`pvdisplay`：详细信息#

显示指定 PV 的详细元数据（UUID、大小、PE 配置、所属 VG 等）。

示例：

pvdisplay /dev/sdb
# 输出示例：
  --- Physical volume ---
  PV Name               /dev/sdb
  VG Name               myvg
  PV Size               100.00 GiB / not usable 4.00 MiB
  Allocatable           yes (but full)
  PE Size               8.00 MiB
  Total PE              12799
  Free PE               0
  Allocated PE          12799
  PV UUID               abcdef-1234-5678-90ab-cdef12345678

`pvs`：简洁信息#

以表格形式快速查看所有 PV 的关键信息（名称、VG、大小、空闲空间等）。

示例：

pvs
# 输出示例：
  PV         VG   Fmt  Attr PSize   PFree
  /dev/sdb   myvg lvm2 a--  100.00g    0
  /dev/sdc   myvg lvm2 a--  200.00g 50.00g

5.2 扫描系统中的 PV（pvscan）#

pvscan 扫描系统中所有 PV，并显示其状态（是否属于 VG、是否激活等）。

示例：

pvscan
# 输出示例：
  PV /dev/sdb   VG myvg          lvm2 [100.00 GiB / 0 free]
  PV /dev/sdc   VG myvg          lvm2 [200.00 GiB / 50.00 GiB free]
  Total: 2 [300.00 GiB] / in use: 2 [300.00 GiB] / in no VG: 0 [0]

常用选项：

--cache：刷新 PV 缓存（当新 PV 接入时使用）。
-u：显示 UUID。

5.3 检查 PV 元数据（pvck）#

pvck 用于检查并修复 PV 的元数据损坏（如断电导致的元数据不一致）。

示例：检查 /dev/sdb 的元数据：

pvck /dev/sdb
# 若元数据正常，输出：
  /dev/sdb: metadata check succeeded

注意：修复前建议备份元数据（vgcfgbackup）。

6. PV 最佳实践#

6.1 物理设备选择：整盘 vs 分区#

整盘初始化（推荐）：直接使用整个磁盘（如 /dev/sdb）作为 PV，避免分区表带来的复杂性（如 MBR 分区大小限制）。LVM 会自行管理设备空间，无需额外分区。
分区初始化：若需与非 LVM 存储共存（如双系统），可创建分区（如 /dev/sdb1）并初始化为 PV。需注意分区类型需设为 8e（LVM 类型）。

6.2 PE 大小的合理配置#

PE 大小在 VG 创建时指定（vgcreate -s），且后续不可修改，需根据 VG 用途提前规划：

小容量 VG（<100GB）：默认 4MB PE 即可。
大容量 VG（>1TB）：建议 16MB 或 32MB PE，减少元数据开销。
注意：PE 大小决定了 LV 的最大容量（公式：最大 LV 容量 = PE 大小 × 65534）。例如，4MB PE 的 LV 最大容量为 256GB（4MB × 65534 ≈ 256GB），若需更大 LV，需增大 PE 大小。

6.3 元数据备份与恢复#

元数据是 PV 的核心，建议定期备份：

# 备份 VG 元数据（包含所有 PV 信息）
vgcfgbackup myvg -f /backup/myvg_backup

恢复时使用 vgcfgrestore：

vgcfgrestore -f /backup/myvg_backup myvg

6.4 避免混合存储类型（SSD/HDD）#

同一 VG 中尽量避免混合 SSD 和 HDD，因为两者性能差异会导致 LV 读写性能不稳定。若需混合，建议通过 lvcreate --type stripe 创建条带 LV，平衡性能。

6.5 监控 PV 健康状态#

定期检查 PV 状态，及时发现故障：

使用 pvs 或 pvdisplay 查看 PV 是否处于 allocatable 状态。
通过 smartctl 监控物理磁盘健康（如坏道）：
```
smartctl -H /dev/sdb  # 检查磁盘健康状态
```

7. 常见问题与故障排查#

7.1 PV 无法被识别#

现象：pvscan 未显示新接入的 PV。
排查：

检查设备是否被系统识别：lsblk 或 dmesg | grep sdb。
确认设备未被挂载或占用：fuser /dev/sdb。
刷新 PV 缓存：pvscan --cache。

7.2 PV 空间不足#

现象：VG 提示“空间不足”，但 PV 显示有空闲空间。
原因：PE 分配碎片化，或部分 PE 被保留（如 vgcreate --reserved-percent 设置）。
解决：

迁移碎片化 PE：pvmove --alloc anywhere。
调整 VG 保留空间：vgchange --reserved-percent 0 myvg（谨慎，可能影响快照）。

7.3 元数据损坏#

现象：pvdisplay 提示“metadata read failed”。
解决：

使用 pvck 检查并修复：pvck /dev/sdb。
若修复失败，从备份恢复元数据：vgcfgrestore myvg。

7.4 移除正在使用的 PV#

现象：执行 vgreduce 时提示“PV is used by LV”。
解决：先迁移 PV 上的 PE 至其他 PV：pvmove /dev/sdb，再移除。

8. 总结#

物理卷（PV）作为 LVM 的底层组件，是实现灵活存储管理的基础。通过本文，我们了解了 PV 的定义、核心组件（PE 与元数据）、生命周期管理（初始化、加入 VG、扩展、移除、删除）及常用命令。掌握 PV 的最佳实践（如 PE 配置、元数据备份、设备选择）和故障排查方法，能帮助我们构建更可靠、高效的 LVM 存储系统。

LVM 的强大之处在于其动态性，而 PV 正是这种动态性的起点。合理规划和管理 PV，是充分发挥 LVM 优势的关键。

9. 参考资料#

LVM 官方文档
Red Hat Enterprise Linux LVM 管理指南
man pvcreate、man pvdisplay、man pvs 等 Linux 手册页
Ubuntu LVM 教程

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