[转载]Ext2/Ext3、Ext4性能比拼

Linux kernel 自 2.6.28 开 始正式支持新的文件系统 Ext4。 Ext4 是 Ext3 的改进版，修改了 Ext3 中部分重要的数据结构，而不仅仅像 Ext3 对 Ext2 那样，只是增加了一个日志功能而已。Ext4 可以提供更佳的性能和可靠性，还有更为丰富的功能：

1. 与 Ext3 兼容。执行若干条命令，就能从 Ext3 在线迁移到 Ext4，而无须重新格式化磁盘或重新安装系统。原有 Ext3 数据结构照样保留，Ext4 作用于新数据，当然，整个文件系统因此也就获得了 Ext4 所支持的更大容量。

2. 更大的文件系统和更大的文件。较之 Ext3 目前所支持的最大 16TB 文件系统和最大 2TB 文件，Ext4 分别支持 1EB（1,048,576TB， 1EB=1024PB， 1PB=1024TB）的文件系统，以及 16TB 的文件。

3. 无限数量的子目录。Ext3 目前只支持 32,000 个子目录，而 Ext4 支持无限数量的子目录。

4. Extents。Ext3 采 用间接块映射，当操作大文件时，效率极其低下。比如一个 100MB 大小的文件，在 Ext3 中要建立 25,600 个数据块（每个数据块大小 为 4KB）的映射表。而 Ext4 引入了现代文件系统中流行的 extents 概念，每个 extent 为一组连续的数据块，上述文件则表示为“ 该文件数据保存在接下来的 25,600 个数据块中”，提高了不少效率。

5. 多块分配。当 写 入数据到 Ext3 文件系统中时，Ext3 的数据块分配器每次只能分配一个 4KB 的块，写一个 100MB 文件就要调用 25,600 次数据 块分配器，而 Ext4 的多块分配器“multiblock allocator”（mballoc） 支持一次调用分配多个数据块。

6. 延迟分配。Ext3 的数据块分配策略是尽快分配，而 Ext4 和其它现代文件操作系统的策略是尽可能地延迟分配，直到文件在 cache 中写完才开始分配数据块并写入磁盘，这样就能优化整个文件的数据块分配，与前两种特性搭配起来可以显著提升性能。

7. 快速 fsck。以前执行 fsck 第一步就会很慢，因为它要检查所有的 inode，现在 Ext4 给每个组的 inode 表中都添加了一份未使用 inode 的列表，今后 fsck Ext4 文件系统就可以跳过它们而只去检查那些在用的 inode 了。

8. 日志校验。日志是最常用的部分，也极易导致磁盘硬件故障，而从损坏的日志中恢复数据会导致更多的数据损坏。Ext4 的日志校验功能可以很方便地判断日志数据是否损坏，而且它将 Ext3 的两阶段日志机制合并成一个阶段，在增加安全性的同时提高了性能。

9. “无日志”（No Journaling）模式。日志总归有一些开销，Ext4 允许关闭日志，以便某些有特殊需求的用户可以借此提升性能。

10. 在线碎片整理。尽管延迟分配、多块分配和 extents 能有效减少文件系统碎片，但碎片还是不可避免会产生。Ext4 支持在线碎片整理，并将提供 e4defrag 工具进行个别文件或整个文件系统的碎片整理。

11. inode 相关特性。Ext4 支 持更大的 inode，较之 Ext3 默认的 inode 大小 128 字节，Ext4 为了在 inode 中容纳更多的扩展属性（如纳秒时间戳 或 inode 版本），默认 inode 大小为 256 字节。Ext4 还支持快速扩展属性（fast extended attributes） 和 inode 保留（inodes reservation）。

12. 持久预分配（Persistent preallocation）。P2P 软 件为了保证下载文件有足够的空间存放，常常会预先创建一个与所下载文件大小相同的空文件，以免未来的数小时或数天之内磁盘空间不足导致下载失 败。 Ext4 在文件系统层面实现了持久预分配并提供相应的 API（libc 中的 posix_fallocate()），比应用软件自己实现更有 效率。

13. 默认启用 barrier。磁 盘 上配有内部缓存，以便重新调整批量数据的写操作顺序，优化写入性能，因此文件系统必须在日志数据写入磁盘之后才能写 commit 记录， 若 commit 记录写入在先，而日志有可能损坏，那么就会影响数据完整性。Ext4 默认启用 barrier，只有当 barrier 之前的数据 全部写入磁盘，才能写 barrier 之后的数据。（可通过 "mount -o barrier=0" 命令禁用该特性。）


Ext4 随 Linux kernel 2.6.28 正 式发布已有数周，一直苦于找不到测试用的磁盘，正巧年前 Intel 送来几块 SSD 测试样品，这两天就顺带把 SSD 也测了。测试所使用 的 Linux 内核版本为 2.6.28.2，测试工具为 IOzone 3.318。

测试命令为：

time /opt/iozone/bin/iozone -a -s 4G -q 256 -y 4 >|/root/ext4-iozone-stdout.txt

上述命令的说明如下：

Auto Mode
File size set to 4194304 KB
Using Maximum Record Size 256 KB
Using Minimum Record Size 4 KB
Command line used: /opt/iozone/bin/iozone -a -s 4G -q 256 -y 4
Output is in Kbytes/sec
Time Resolution = 0.000001 seconds.
Processor cache size set to 1024 Kbytes.
Processor cache line size set to 32 bytes.
File stride size set to 17 * record size.

测试结果除了表明 Intel SSD 的读写速度快得令人咋舌之外，还可以说明 Ext4 的各方面性能都超过了上一代 Ext3，甚至在大多数情况下，比没有日志功能的 Ext2 还要快出不少：

<

	reclen	write	rewrite	read	reread	random read	random write	bkwd read	record rewrite	stride read	fwrite	frewrite	fread	freread
Ext2 real 28m12.718s user 0m10.725s sys 5m8.265s	4	218680	216596	630248	245802	88700	138065	106112	1882623	73538	214175	218364	566570	247381
	8	215308	218690	556064	246260	154680	150052	188397	2462367	130896	217157	216647	583808	248397
	16	216457	216843	575046	245701	258660	158750	306842	2654320	220939	216061	218140	598174	246581
	32	217925	214289	537976	243081	394013	167002	464240	2397831	340775	217434	219353	583463	246341
	64	215460	219256	527919	244362	503227	162917	609546	2546079	456243	216875	217692	571707	244264
	128	219081	216173	540831	242526	609750	161442	721701	2656729	551122	217780	217427	579271	242291
	256	216091	217631	565111	245157	654274	173955	870547	2574261	634835	216638	219693	563735	247101
Ext3 real 27m42.449s user 0m11.529s sys 7m17.049s	4	218242	213039	482132	243986	88007	156926	105557	1540739	75010	216028	216432	522704	243385
	8	218390	217915	544892	244979	152424	190454	181486	1945603	130737	218364	216431	530853	243222
	16	218083	217683	561038	244506	255244	200032	300212	2096495	221329	216930	216661	514177	244069
	32	216258	217013	569246	243811	389745	198275	446462	1934853	338785	216809	219296	530634	243446
	64	218850	217711	577529	243725	497689	201693	589535	2036412	450449	219387	214900	514353	244809
	128	220234	215687	530519	241615	608244	199619	714295	1992168	553022	217828	218454	513596	241510
	256	216011	220188	592578	242548	642341	199408	834240	2092959	624043	217682	218165	529358	242878
Ext4 real 27m3.485s user 0m10.847s sys 6m9.578s	4	221823	216992	532488	273668	85210	183195	103036	1862817	74781	225841	220620	523799	272848
	8	226028	218580	561960	272036	154972	216505	178482	2135372	132506	227423	215766	641021	271328
	16	222241	217746	547548	270895	260899	223895	295288	2095966	223135	226055	216210	621287	273475
	32	220121	213025	240426	247628	345210	175977	451631	2145351	342236	225796	213427	598331	269759
	64	223983	214437	308696	551577	754941	225897	523130	2218016	448086	227030	214706	582795	272323
	128	222576	217816	624636	271293	644500	224997	720468	2308315	582943	225971	217373	552335	274237
	256	221202	222238	541685	270898	671748	228085	845494	2215381

注：
1. 关于 IOzone 测试方法，参考 Ben Martin 的文章：
2. 关于 Ext4 的相关内容，参考 Kernel Newbies 专页：