Linux 日志文件系统剖析

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。

 

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）。

在回写模式 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