剖析Linux扩展文件系统 ext4

剖析Linux扩展文件系统 ext4

第 4 个扩展文件系统，即 ext4，是下一代的日志文件系统，它与上一代文件系统 ext3 是向后兼容的。尽管 ext4 目前还不是标准文件系统，但它将成为大部分下一代 Linux? 发行版的默认文件系统。了解 ext4，以及它为什么将成为您最喜欢的新文件系统。
　　Linux 内核的每次发行都伴随一些惊喜，今年 12 月份发行的 2.6.28 也不例外。这个发行版是首个稳定的 ext4 文件系统(它还包含其他出色的特性，比如正在开发的 Btrfs)。这个下一代扩展文件系统提供更好的伸缩性、可靠性和许多新功能。ext4 的伸缩性如此之大，以致最大的文件系统所用的磁盘空间将达到 100 万 TB。
　　扩展文件系统的简史
　　第一个受 Linux 支持的文件系统是 Minix 文件系统。这个文件系统有严重的性能问题，因此出现了另一个针对 Linux 的文件系统，即扩展文件系统。第 1 个扩展文件系统(ext1)由 Remy Card 设计，并于 1992 年 4 月引入到 Linux 中。ext1 文件系统是第一个使用虚拟文件系统(VFS)交换的文件系统。虚拟文件系统交换是在 0.96c 内核中实现的，支持的最大文件系统为 2 GB。
　　第 2 个扩展文件系统(ext2)也是由 Remy Card 实现的，并于 1993 年 1 月引入到 Linux 中。它借鉴了当时文件系统(比如 Berkeley Fast File System [FFS])的先进想法。ext2 支持的最大文件系统为 2TB，但是 2.6 内核将该文件系统支持的最大容量提升到 32TB。
　　第 3 个扩展文件系统(ext3)是 Linux 文件系统的重大改进，尽管它在性能方面逊色于某些竞争对手。ext3 文件系统引入了日志 概念，以在系统突然停止时提高文件系统的可靠性。虽然某些文件系统的性能更好(比如 Silicon Graphics 的 XFS 和 IBM? Journaled File System [JFS])，但 ext3 支持从使用 ext2 的系统进行就地(in-place)升级。ext3 由 Stephen Tweedie 实现，并于 2001 年 11 月引入。
　　今天，我们已经拥有第 4 个扩展文件系统(ext4)。ext4 在性能、伸缩性和可靠性方面进行了大量改进。最值得一提的是，ext4 支持 1 EB 的文件系统。ext4 是由 Theodore Tso(ext3 的维护者)领导的开发团队实现的，并引入到 2.6.19 内核中。目前，它在 2.6.28 内核中已经很稳定(到 2008 年 12 月为止)。
　　ext4 从竞争对手那里借鉴了许多有用的概念。例如，在 JFS 中已经实现了使用区段(extent)来管理块。另一个与块管理相关的特性(延迟分配)已经在 XFS 和 Sun Microsystems 的 ZFS 中实现。
　　在 ext4 文件系统中，您可以发现各种改进和创新。这些改进包括新特性(新功能)、伸缩性(打破当前文件系统的限制)和可靠性(应对故障)，当然也包括性能的改善。
　　功能
　　ext4 引入了大量新功能，但最重要的是与 ext3 的向后和向前兼容性，以及在时间戳上的改进。这些改进立足于提高未来的 Linux 系统的性能。
　　向后和向前兼容性
　　由于 ext3 是 Linux 上最受欢迎的文件系统之一，因此应该能够轻松迁移到 ext4。为此，ext4 被设计为在 extent 方面具有向后和向前兼容性(参见图 1)。ext4 与 ext3 是向前兼容的，这样就可以将 ext3 文件系统挂载为 ext4 文件系统。为了充分利用 ext4 的优势，必须实现文件系统的迁移，以转换和利用新的 ext4 格式。您还可以将 ext4 挂载为 ext3(向后兼容)，但前提是 ext4 文件系统不能使用区段(将在性能小节对其进行讨论)。
　　图 1. ext4 的向后和向前兼容性

　　除了兼容性特性之外，您还可以逐步地将 ext3 文件系统迁移到 ext4。这意味着没有移动的旧文件可以保留 ext3 格式，但新的文件(或已被复制的旧文件)将采用新的 ext4 数据结构。您可以通过这种方式在线将 ext3 文件系统迁移到 ext4 文件系统。
　　提高时间戳分辨率和扩展范围
　　令人惊讶的是，ext4 之前的扩展文件系统的时间戳都是以秒为单位的。这已经能够应付大多数设置，但随着处理器的速度和集成程度(多核处理器)不断提升，以及 Linux 开始向其他应用领域发展(比如高性能计算)，基于秒的时间戳已经不够用。ext4 设计时间戳时考虑到未来的发展，它将时间戳的单位提升到纳秒。ext4 给时间范围添加了两个位，从而让时间寿命再延长 500 年。
　　伸缩性
　　文件系统未来发展的一个重要方面就是伸缩性，即根据需求进行伸缩的能力。ext4 以多种方式现实了强大的伸缩性，它的伸缩性超越了 ext3，并且在文件系统元数据管理方面开辟了新领域。
　　突破文件系统的限制
　　ext4 的一个明显差别就是它支持更大的文件系统、文件和子目录。ext4 支持的最大文件系统为 1 EB(1000 PB)。虽然根据今天的标准这个文件系统已经非常巨大，但存储空间的消费会不断增长，因此 ext4 必须考虑到未来的发展。ext4 支持最大 16 TB 的文件(假设由 4KB 的块组成)，这个容量是 ext3 的 8 倍。
　　最后，ext4 也扩展了子目录的容量，将其从 32KB 扩展到无穷大。这是极端情况，我们还需要考虑文件系统的层次结构，因为它的最大存储容量为 1 EB。此外，目录索引也优化为类似于散列 B 树结构，因此尽管限制更加多，但 ext4 支持更快的查找。
　　区段
　　ext3 分配空间的方式是其主要缺点之一。ext3 使用空闲空间位映射来分配文件，这种方式不是很快，并且伸缩性不强。ext3 的格式对小文件而言是很高效的，但对于大文件则恰恰相反。ext4 使用区段取代 ext3 的机制，从而改善了空间的分配，并且支持更加高效的存储结构。区段 是一种表示一组相邻块的方式。使用区段减少了元数据，因为区段维护关于一组相邻块的存储位置的信息(从而减少了总体元数据存储)，而不是一个块的存储位置的信息。
　　ext4 的区段采用分层的方法高效地表示小文件，并且使用区段树高效地表示大文件。例如，单个 ext4 inode 有足够的空间来引用 4 个区段(每个区段表示一组相邻的块)。对于大文件(包括片段文件)，一个 inode 能够引用一个索引节点，而每个索引节点能够引用一个叶节点(引用多个区段)。这种持续的区段树为大文件(尤其是分散的文件)提供丰富的表示方式。这些节点还包含自主检查机制，以阻止文件系统损坏带来威胁。
　　性能
　　衡量一个新文件系统的最重要指标就是它的根本性能。这常常是最难实现的指标，因为当文件系统变得庞大并且要求实现高可靠性时，将会以损害性能为代价。但是，ext4 不仅解决了伸缩性和可靠性，它还提供各种改善性能的方法。
　　文件级预分配
　　某些应用程序，比如数据库或内容流，要求将文件存储在相邻的块上(利用相邻块的读优化和最大化读的命令-块比率)。尽管区段能够将相邻块划分为片段，但另一种更强大的方法是按照所需的大小预分配比较大的相邻块(XFS 以前就是采用这种方法)。ext4 通过一个新的系统调用来实现这个目的，这个调用将按照特定的大小预分配并初始化文件。然后，您就可以写入必要的数据，并为数据提供不错的读性能。
　　延迟块分配
　　另一个基于文件大小的优化是延迟分配。这种性能优化延迟磁盘上的物理块的分配，直到块被刷入到磁盘时才进行分配。这种优化的关键是延迟物理块的分配，直到需要在磁盘上写这些物理块时才对其进行分配并写到相邻的块。这类似于持久化预分配，惟一的区别是文件系统会自动执行这项任务。不过如果预先知道文件的大小时，持久化预分配是更好的选择。
　　多个块分配
　　这是最后一个与相邻块相关的优化，即针对 ext4 的块分配器。在 ext3 中，块分配器的工作方式是每次分配一个块。当需要分配多个块时，非相邻块中可能存在相邻的数据。ext4 使用块分配器修复了这个问题，它能够在磁盘上一次分配多个块。与前面其他优化一样，这个优化在磁盘上收集相关的数据，以实现相邻读优化。
　　多个块分配的另一个方面是分配块时需要的处理量。记住，ext3 一次只分配一个块。在最简单的情况下，每个块的分配都要有一个调用。如果一次分配多个块，对块分配器的调用就会大大减少，从而加快分配并减少处理量。
　　可靠性
　　ext4 文件系统可能会扩展得比较大，这将导致可靠性问题。但 ext4 通过许多自主保护和自主修复机制来解决这个问题。
　　执行文件系统日志校验和
　　和 ext3 一样，ext4 也是一个日志文件系统。日志记录 就是通过日记(磁盘上相邻区域的专门循环记录)记录文件系统的变更的过程。因此，根据日志对物理存储执行实际变更更加可靠，并且能够确保一致性，即使在操作期间出现系统崩溃或电源中断。这样做可以减少文件系统损坏的几率。
　　但是即使进行日志记录，如果日志出现错误仍然会导致文件系统损坏。为了解决这个问题，ext4 对日志执行校验和，确保有效变更能够在底层文件系统上正确完成。在 参考资料 小节可以找到其他关于日志记录(ext4 的重要部分)的资料。
　　ext4 支持根据用户需求采用多种模式的日志记录。例如，ext4 支持 Writeback 模式，它仅记录元数据;或 Ordered 模式，它记录元数据，但写为元数据的数据是从日志中写入的;或 Journal 模式(最可靠的模式)，它同时记录元数据和数据。注意，虽然 Journal 模式是确保文件系统一致的最佳选择，但它也是最慢的，因为所有数据都要经过日志。
　　在线磁盘碎片整理
　　尽管 ext4 添加一些特性来减少文件系统的碎片(比如将相邻块分配为区段)，但随着系统使用时间的增加，碎片是难以完全避免的。因此出现了在线碎片整理工具，它们可以对文件系统和单个文件执行碎片整理，从而改善性能。在线碎片整理程序是一个简单的工具，它将文件复制到引用相邻区段的新 ext4 inode。
　　在线碎片整理还可以减少检查文件系统所需的时间(fsck)。ext4 将未使用的块组标记到 inode 表中，并让 fsck 进程忽略它们以加快检查速度。当操作系统因内部损坏(随着文件系统变大，这是不可避免的)而检查文件系统时，ext4 的设计方式将能够提高总体可靠性。
　　结束语
　　针对 Linux 的扩展文件系统有着漫长而丰富的历史 — 从 1992 年首次引入 ext1 到 2008 年引入 ext4。ext4 是首个专门为 Linux 设计的文件系统，并且事实证明它是高效、稳定、强大的文件系统。ext4 随着文件系统研究的深入而不断发展，并且借鉴其他新文件系统的先进思想(比如 XFS、JFS、Reiser 和 IRON 容错文件系统技术)。尽管目前预测 ext5 将会是什么样子还为时过早，但有一点是很明确的，它将主导企业级 Liunx 系统。