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分类: LINUX

2009-02-06 11:59:55

在 近代历史上,日志文件系统被认为十分奇特,主要是处于研究阶段。而如今,日志文件系统(ext3)已经成为 Linux 的缺省文件系统。本文向大家揭示了日志文件系统背后的一些思想,以及在电源故障或系统崩溃时,如何提供更好的完整性。此外本文还介绍了现行的几种日志文件 系统和下一代日志文件系统。

定义日志文件系统的方法有很多种,但是让我们抓住要点。日志文件系统就是专为那些厌倦了一直盯着启动时 fsck(即文件系统一致性检查)的人而设计的(日志文件系统同样适用于希望文件系统具有故障恢复能力的群体)。如果系统采用传统的未提供日志功能的文件系统,那么操作系统在检测到系统为非正常关机时,会使用 fsck 应用程序执行一致性检验。该应用程序会扫描文件系统(这要花费很长的时间),并修复任何可安全修复的问题。而在某些情况下,当文件系统损坏严重时,操作系统会启动到单用户模式,由用户进行进一步的修复。


更麻烦的是,为了确保文件系统元数据的正确性(即使未检测到损坏),操作系统会自动启动 fsck 进程。因此,避免对文件系统进行一致性检验正是需要改进的地方。

那么现在您应该清楚日志文件系统针对的是哪类人群了,但是他们是如何取缔 fsck 的 呢?笼统地说,日志文件系统就是通过维护一份日志来防止文件系统崩溃。所谓日志就是一种特殊的文件,它会在一个循环的缓冲区内记录文件系统的修改,然后将 其定期提交到文件系统。一旦系统发生崩溃,日志文件就会起到一个检查点的作用,用于恢复未保存的信息,防止损坏文件系统元数据。

总之,日志 文件系统就是一种具有故障恢复能力的文件系统,它利用日志来记录尚未提交到文件系统的修改,以防止元数据破坏(请参见图 1)。但是如众多其他 Linux 解决方案一样,日志文件系统有多种方案供您选择。下面就让我们一起简短回顾一下日志文件系统的历史,然后再看一看现行的几种文件系统,看看它们之间有什么 区别。


元数据 指磁盘上的数据的管理结构。它表示文件的创建与删除、目录的创建与删除、扩充文件、截取文件等。



典型的日志文件系统 

最 早的日志文件系统是 IBM® Journaled File System(JFS)。JFS 于 1990 年首次发行,而当前 Linux 支持的版本是后期开发的 JFS2。1994 年,Silicon Graphics 为 IRIX 操作系统引进了高性能的 XFS。XFS 于 2001 年被植入 Linux 系统中。1998 年开发的智能文件系统(SFS)起初是为 Amiga 开发的,但之后却在 GNU Lesser General Public License(LGPL)下发行,并于 2005 年获得了 Linux 的支持。最常用的日志文件系统 ext3fs (third extended file system)是 ext2 的扩展,它增加了记录日志的功能。从 2001 年起,Linux 系统中就开始支持 ext3fs。最终,ReiserFS 日志文件系统在其被引入之后,力压群雄,被广泛使用。但由于其原开发者的一些法律纠纷,ReiserFS 日志文件系统未能得到进一步的发展。





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日志文件系统是使用日志来缓冲文件系统的修改(同时也可以应用于紧急故障恢复)的,但可以根据记录的时间与内容采取不同的策略。其中,三种常见的策略为:回写(writeback)、预定(ordered)和数据(data)。

回写模式 中,仅有元数据被记录到日志,数据块则被直接写入到磁盘位置上。这样可以保存文件系统结构,防止崩溃,但却有可能发生数据崩溃(比如:在元数据记录到日志后,数据块写入磁盘前,系统崩溃)。要想解决这个问题,您可以使用预定模式。预定模式 只将元数据记录到日志,但是在此之前将数据写入到磁盘。这样就可以保证系统恢复后数据和文件系统的一致性。最后一种模式将数据也记录到了日志中。在数据模式 中,元数据和数据都被记录到日志中。这种模式可以最大限度地防止文件系统崩溃与数据丢失,但由于全部数据都写入了两次(先写入日志,再写入磁盘),系统性能可能会降低。

日志的提交也有很多种不同的策略。比如,是在日志将满时,还是在超时后?





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如今,有几种日志文件系统应用非常广泛。每一种都有其自己的优缺点。下面介绍现存最普遍的四种日志文件系统。

JFS2(又称 enhanced journaled file system)是最早期的日志文件系统,在植入 Linux 之前已被应用于 IBM AIX® 操作系统多年。它是 64 位的文件系统,虽然它是在原来的 JFS 的基础上开发的,但却较之有所改进,即:JFS2 具有更优的扩展性能,而且支持多处理器架构。

JFS2 支持预定的日志记录方式,可以提高较高的性能,并实现亚秒级文件系统恢复。JFS2 同时为提高性能提供了基于分区的文件分配(Extent-based allocation)。基于分区的分配 是指对一组连续的块而非单一的块进行分配。由于这些块在磁盘上是连续的,其读取和写入的性能就会更好。这种分配的另外一个优势就是可以将元数据管理最小化。按块分配磁盘空间就意味着要逐块更新元数据。而使用分区,元数据则仅需按照分区(可以代表多个块)更新。

JFS2 还使用了 B+ 树,以便更快地查找目录和管理分区描述符。JFS2 没有内部日志提交策略,而是在 kupdate 守护进程超时时提交。

XFS 是 Silicon Graphicsis 于 1995 年为 IRIX 操作系统开发的其他早期日志文件系统之一。它于 2001 年就已经被植入 Linux,因此,它已经成熟而且可靠。

XFS 支持 64 位全地址寻址,并以 B+ 树为目录和文件分配提供高性能。XFS 同样使用了基于分区的分配,支持可变的块大小(从 512 字节到 64KB )。除分区外,XFS 还采用延时分配,即等到块将被写入磁盘时,再为其分配磁盘空间。这样所需磁盘空间总数就一目了然,因此这个功能提高了分配连续磁盘块的可能性。

XFS 还有一些其他的有趣特性,它可以保证 rate 输入输出(I/O — 通过为文件系统用户保留带宽)和直接 I/O。其中,数据是直接在磁盘和用户空间缓冲区间拷贝的(而不是从多个缓冲区进入)。XFS 采用回写日志策略。

第 三扩展文件系统(third extended file system,ext3fs)是最流行的日志文件系统,是由 ext2 文件系统演化而来。实际上,Ext3fs 可以与 ext2fs 兼容,这是因为 ext3fs 使用的结构与 ext2fs 相同,仅仅多了一个日志而已。我们甚至可以把 ext3fs 的一部分当作 ext2 文件系统挂载,或者将 ext2 文件系统转换成 ext3 文件系统(使用 tune2fs 实用程序)。

Ext3fs 允许用三种方式记录日志(回写,预定和数据),但预定模式为默认模式。日志提交策略也是可配置的,但是默认在日志填满 1/4 时或其中一个提交计时器超时时,提交日志。

ext3fs 主要的弊端之一就是它最初不是作为日志文件系统而设计的。它是在 ext2fs 的基础上开发的,因此缺少一些其他日志文件系统所具备的高级特性(例如分区)。它在性能方面较之 ReiserFS、JFS 以及 XFS 也尤为逊色,但它所需要的 CPU 和内存要比同类解决方案少。


很多情况下,一些文件的大小小于逻辑块。为了不把可以分配给一个逻辑块的磁盘空间浪费给小文件(称之为tail),于是把多个文件打包到一个单一的逻辑块中。结果发现这种方法可以让磁盘空间的容量比其他竞争文件系统(有性能损失)高 5%。

ReiserFS 是从一开始就按照记录日志的意图而开发的日志文件系统。ReiserFS 于 2001 年被引进到主流 2.4 内核(Linux 采用的第一个日志文件系统)。其默认的日志记录方法为预定,且支持以在线调整大小的方式扩展文件系统。ReiserFS 同时还具有 tail packing 功能,显著减少了磁盘碎片。在处理较小文件方面,ReiserFS 的速度要比 ext3f 快(当 tail packing 可用时)。

ReiserFS(又称 ReiserFS v3)具有很多先进的功能,如 B+ 树。该文件系统的基础格式建立在单一的 B+ 树的基础之上,这使得搜索的效率和可伸缩性增强。提交策略则取决于日志的大小,但是要以待提交的块的数量为基础。

ReiserFS 也遇到了几个问题 — 大多是最近出现的,这与其开发者遇到了一些法律纠纷有直接原因(详情请参阅 参考资料)。





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现在您已经了解了现行的(和过去的)日志文件系统,下面就让我们看一看它的发展趋势。

在成功地将 ReiserFS 合并到 Linux 内核,并被很多的 Linux 发行版采用之后,Namesys(开发 ReiserFS 的公司)便开始致力于新的日志文件系统的开发。Reiser4 被设计成为全新的日志文件系统,它拥有很多先进的功能。

Resier4 拟定通过 wandering 日志和延迟分配块直至日志提交(像在 XFS 中一样)的方式来实现更优秀的日志记录。Reiser4 还设计有灵活的插件架构(以支持诸如压缩和加密之类的功能),但是被 Linux 社区拒绝了,因为这些在虚拟文件系统(virtual file system,VFS)被当作是最好的功能。

由于 Namesys 的所有者的坚持,所有关于 Reiser4 的商业活动都停止了。

第 四扩展日志文件系统(fourth extended journaling file system,ext4fs)是由 ext3fs 演化而来。Ext4 文件系统被设计为具有向前和向后兼容性,但它具有许多新的高级特性(其中的一些特性破坏了兼容性)。这就意味着您可以将 ext4fs 的一部分作为 ext3fs 挂载,反之亦然。

首先,ext4fs 是 64 位文件系统,并被设计为可以支持很大的容量(1 exabyte)。它还可以使用分区,但是这样做将失去与 ext3fs 的兼容性。像 XFS 和 Reiser4 一样,ext4fs 还支持在必要时采取延时分配方式分配块(这样可以减少磁盘碎片)。日志的内容也已经执行过检查和(checksum),使日志更加可靠。ext4fs 并没有采用标准的 B+ 或者 B* 树,取而代之的是 B 树的一种变体,叫做 H 树,它支持更大的子目录(ext3 的上限为 32KB )。

虽然延时分配的方法可以减少磁盘碎片,但时间久了,一个大的文件系统可能会成为碎片。为解决这个问题,开发了在线磁盘碎片整理工具(e4defrag)。您可以使用这个工具来整理单个的文件或者整个文件系统。

ext3fs 与 ext4fs 间的另一个有趣的区别就在于文件的日期分辨率。在 ext3 中,时间戳的最小分辨率为 1 秒。而 Ext4fs 是面向未来的:那时处理器和接口的速度会持续加快,需要更高的分辨率。因此,ext4 中时间戳的最小分辨率为 1 纳秒。

Ext4fs 已被合并到自 2.6.19 以后的 Linux 内核中,但它还是不够稳定。下一代系统的开发将继续致力于此;辅之以上一代的优势, 它就会是下一代的 Linux 日志文件系统。





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日志文件系统在系统崩溃或断电时提供了可靠性,并防止系统崩溃。另外,与较传统的文件系统方法(比如那些依赖于 fsck 的 系统)相比,日志文件系统大大地缩短了系统崩溃的恢复时间。新的日志记录功能的开发要指望将来的新算法与结构,也要仰仗以前的算法与结构,将 JFS 和 XFS 的功能结合起来。将来日志文件系统到底会如何发展还不得而知,但可以确定的是它们会更具实用性,并会成为新的日志文件系统标准

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