?

Linux 內核的每次發行都伴隨一些驚喜，今年 12 月份發行的 2.6.28 也不例外。這個發行版是首個穩定的 ext4 文件系統（它還包含其他出色的特性，比如正在開發的 Btrfs）。這個下一代擴展文件系統提供更好的伸縮性、可靠性和許多新功能。ext4 的伸縮性如此之大，以致最大的文件系統所用的磁盤空間將達到 100 萬 TB。

擴展文件系統的簡史

虛擬文件系統交換

VFS 是一個從上層文件系統用戶提取底層文件系統細節的層。在提取過程中，VFS 允許在特定 Linux 系統上同時支持多文件系統。

第一個受 Linux 支持的文件系統是 Minix 文件系統。這個文件系統有嚴重的性能問題，因此出現了另一個針對 Linux 的文件系統，即擴展文件系統。第 1 個擴展文件系統（ext1）由 Remy Card 設計，并于 1992 年 4 月引入到 Linux 中。ext1 文件系統是第一個使用虛擬文件系統（VFS）交換的文件系統。虛擬文件系統交換是在 0.96c 內核中實現的，支持的最大文件系統為 2 GB。

第 2 個擴展文件系統（ext2）也是由 Remy Card 實現的，并于 1993 年 1 月引入到 Linux 中。它借鑒了當時文件系統（比如 Berkeley Fast File System [FFS]）的先進想法。ext2 支持的最大文件系統為 2TB，但是 2.6 內核將該文件系統支持的最大容量提升到 32TB。

閱讀 Tim Jones 在 developerWorks 上發表的其他文章

• Tim 撰寫的剖析…… 系列文章

第 3 個擴展文件系統（ext3）是 Linux 文件系統的重大改進，盡管它在性能方面遜色于某些競爭對手。ext3 文件系統引入了日志 概念，以在系統突然停止時提高文件系統的可靠性。雖然某些文件系統的性能更好（比如 Silicon Graphics 的 XFS 和 IBM? Journaled File System [JFS]），但 ext3 支持從使用 ext2 的系統進行就地（in-place）升級。ext3 由 Stephen Tweedie 實現，并于 2001 年 11 月引入。

今天，我們已經擁有第 4 個擴展文件系統（ext4）。ext4 在性能、伸縮性和可靠性方面進行了大量改進。最值得一提的是，ext4 支持 1 EB 的文件系統。ext4 是由 Theodore Tso（ext3 的維護者）領導的開發團隊實現的，并引入到 2.6.19 內核中。目前，它在 2.6.28 內核中已經很穩定（到 2008 年 12 月為止）。

ext4 從競爭對手那里借鑒了許多有用的概念。例如，在 JFS 中已經實現了使用區段（extent）來管理塊。另一個與塊管理相關的特性（延遲分配）已經在 XFS 和 Sun Microsystems 的 ZFS 中實現。

在 ext4 文件系統中，您可以發現各種改進和創新。這些改進包括新特性（新功能）、伸縮性（打破當前文件系統的限制）和可靠性（應對故障），當然也包括性能的改善。

---

回頁首

功能

ext4 引入了大量新功能，但最重要的是與 ext3 的向后和向前兼容性，以及在時間戳上的改進。這些改進立足于提高未來的 Linux 系統的性能。

向后和向前兼容性

由于 ext3 是 Linux 上最受歡迎的文件系統之一，因此應該能夠輕松遷移到 ext4。為此，ext4 被設計為在 extent 方面具有向后和向前兼容性（參見圖 1）。ext4 與 ext3 是向前兼容的，這樣就可以將 ext3 文件系統掛載為 ext4 文件系統。為了充分利用 ext4 的優勢，必須實現文件系統的遷移，以轉換和利用新的 ext4 格式。您還可以將 ext4 掛載為 ext3（向后兼容），但前提是 ext4 文件系統不能使用區段（將在性能小節對其進行討論）。

圖 1. ext4 的向后和向前兼容性

?

除了兼容性特性之外，您還可以逐步地將 ext3 文件系統遷移到 ext4。這意味著沒有移動的舊文件可以保留 ext3 格式，但新的文件（或已被復制的舊文件）將采用新的 ext4 數據結構。您可以通過這種方式在線將 ext3 文件系統遷移到 ext4 文件系統。

提高時間戳分辨率和擴展范圍

令人驚訝的是，ext4 之前的擴展文件系統的時間戳都是以秒為單位的。這已經能夠應付大多數設置，但隨著處理器的速度和集成程度（多核處理器）不斷提升，以及 Linux 開始向其他應用領域發展（比如高性能計算），基于秒的時間戳已經不夠用。ext4 設計時間戳時考慮到未來的發展，它將時間戳的單位提升到納秒。ext4 給時間范圍添加了兩個位，從而讓時間壽命再延長 500 年。

---

回頁首

伸縮性

文件系統未來發展的一個重要方面就是伸縮性，即根據需求進行伸縮的能力。ext4 以多種方式現實了強大的伸縮性，它的伸縮性超越了 ext3，并且在文件系統元數據管理方面開辟了新領域。

突破文件系統的限制

ext4 的一個明顯差別就是它支持更大的文件系統、文件和子目錄。ext4 支持的最大文件系統為 1 EB（1000 PB）。雖然根據今天的標準這個文件系統已經非常巨大，但存儲空間的消費會不斷增長，因此 ext4 必須考慮到未來的發展。ext4 支持最大 16 TB 的文件（假設由 4KB 的塊組成），這個容量是 ext3 的 8 倍。

最后，ext4 也擴展了子目錄的容量，將其從 32KB 擴展到無窮大。這是極端情況，我們還需要考慮文件系統的層次結構，因為它的最大存儲容量為 1 EB。此外，目錄索引也優化為類似于散列 B 樹結構，因此盡管限制更加多，但 ext4 支持更快的查找。

區段

ext3 分配空間的方式是其主要缺點之一。ext3 使用空閑空間位映射來分配文件，這種方式不是很快，并且伸縮性不強。ext3 的格式對小文件而言是很高效的，但對于大文件則恰恰相反。ext4 使用區段取代 ext3 的機制，從而改善了空間的分配，并且支持更加高效的存儲結構。區段 是一種表示一組相鄰塊的方式。使用區段減少了元數據，因為區段維護關于一組相鄰塊的存儲位置的信息（從而減少了總體元數據存儲），而不是一個塊的存儲位置的信息。

ext4 的區段采用分層的方法高效地表示小文件，并且使用區段樹高效地表示大文件。例如，單個 ext4 inode 有足夠的空間來引用 4 個區段（每個區段表示一組相鄰的塊）。對于大文件（包括片段文件），一個 inode 能夠引用一個索引節點，而每個索引節點能夠引用一個葉節點（引用多個區段）。這種持續的區段樹為大文件（尤其是分散的文件）提供豐富的表示方式。這些節點還包含自主檢查機制，以阻止文件系統損壞帶來威脅。

---

回頁首

性能

衡量一個新文件系統的最重要指標就是它的根本性能。這常常是最難實現的指標，因為當文件系統變得龐大并且要求實現高可靠性時，將會以損害性能為代價。但是，ext4 不僅解決了伸縮性和可靠性，它還提供各種改善性能的方法。

文件級預分配

某些應用程序，比如數據庫或內容流，要求將文件存儲在相鄰的塊上（利用相鄰塊的讀優化和最大化讀的命令-塊比率）。盡管區段能夠將相鄰塊劃分為片段，但另一種更強大的方法是按照所需的大小預分配比較大的相鄰塊（XFS 以前就是采用這種方法）。ext4 通過一個新的系統調用來實現這個目的，這個調用將按照特定的大小預分配并初始化文件。然后，您就可以寫入必要的數據，并為數據提供不錯的讀性能。

延遲塊分配

另一個基于文件大小的優化是延遲分配。這種性能優化延遲磁盤上的物理塊的分配，直到塊被刷入到磁盤時才進行分配。這種優化的關鍵是延遲物理塊的分配，直到需要在磁盤上寫這些物理塊時才對其進行分配并寫到相鄰的塊。這類似于持久化預分配，惟一的區別是文件系統會自動執行這項任務。不過如果預先知道文件的大小時，持久化預分配是更好的選擇。

多個塊分配

這是最后一個與相鄰塊相關的優化，即針對 ext4 的塊分配器。在 ext3 中，塊分配器的工作方式是每次分配一個塊。當需要分配多個塊時，非相鄰塊中可能存在相鄰的數據。ext4 使用塊分配器修復了這個問題，它能夠在磁盤上一次分配多個塊。與前面其他優化一樣，這個優化在磁盤上收集相關的數據，以實現相鄰讀優化。

多個塊分配的另一個方面是分配塊時需要的處理量。記住，ext3 一次只分配一個塊。在最簡單的情況下，每個塊的分配都要有一個調用。如果一次分配多個塊，對塊分配器的調用就會大大減少，從而加快分配并減少處理量。

---

回頁首

可靠性

ext4 文件系統可能會擴展得比較大，這將導致可靠性問題。但 ext4 通過許多自主保護和自主修復機制來解決這個問題。

執行文件系統日志校驗和

和 ext3 一樣，ext4 也是一個日志文件系統。日志記錄 就是通過日記（磁盤上相鄰區域的專門循環記錄）記錄文件系統的變更的過程。因此，根據日志對物理存儲執行實際變更更加可靠，并且能夠確保一致性，即使在操作期間出現系統崩潰或電源中斷。這樣做可以減少文件系統損壞的幾率。

但是即使進行日志記錄，如果日志出現錯誤仍然會導致文件系統損壞。為了解決這個問題，ext4 對日志執行校驗和，確保有效變更能夠在底層文件系統上正確完成。在 參考資料 小節可以找到其他關于日志記錄（ext4 的重要部分）的資料。

ext4 支持根據用戶需求采用多種模式的日志記錄。例如，ext4 支持 Writeback 模式，它僅記錄元數據；或 Ordered 模式，它記錄元數據，但寫為元數據的數據是從日志中寫入的；或 Journal 模式（最可靠的模式），它同時記錄元數據和數據。注意，雖然 Journal 模式是確保文件系統一致的最佳選擇，但它也是最慢的，因為所有數據都要經過日志。

在線磁盤碎片整理

盡管 ext4 添加一些特性來減少文件系統的碎片（比如將相鄰塊分配為區段），但隨著系統使用時間的增加，碎片是難以完全避免的。因此出現了在線碎片整理工具，它們可以對文件系統和單個文件執行碎片整理，從而改善性能。在線碎片整理程序是一個簡單的工具，它將文件復制到引用相鄰區段的新 ext4 inode。

在線碎片整理還可以減少檢查文件系統所需的時間（fsck）。ext4 將未使用的塊組標記到 inode 表中，并讓 fsck 進程忽略它們以加快檢查速度。當操作系統因內部損壞（隨著文件系統變大，這是不可避免的）而檢查文件系統時，ext4 的設計方式將能夠提高總體可靠性。

---

回頁首

結束語

針對 Linux 的擴展文件系統有著漫長而豐富的歷史 — 從 1992 年首次引入 ext1 到 2008 年引入 ext4。ext4 是首個專門為 Linux 設計的文件系統，并且事實證明它是高效、穩定、強大的文件系統。ext4 隨著文件系統研究的深入而不斷發展，并且借鑒其他新文件系統的先進思想（比如 XFS、JFS、Reiser 和 IRON 容錯文件系統技術）。盡管目前預測 ext5 將會是什么樣子還為時過早，但有一點是很明確的，它將主導企業級 Liunx 系統。

?

參考資料

學習

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球網站上的 英文原文。
  
  ?
• “Ubuntu 9.04 Receives EXT4 Support” 這篇文章在最新的 Ubuntu 發行版中尋找 ext4 的重大性能改進（與 JFS、XFS、ReiserFS 和 Ext3 對比）。
  
  ?
• 查看 ext4 kernel wiki（幫助您在自己的系統上運行 ext4）、Fedora ext4 page、Kernel Newbies ext4 page 和 Wikipedia，了解更多關于 ext4 的信息。您還可以通過 Wikipedia 的 Extended file system 頁面了解所有擴展文件系統（從 1 到 4），它提供關于文件系統比較和第 2 個擴展文件系統的歷史的鏈接。
  
  ?
• 通過 IBM Linux Technology Center 上的 “Ext4: The Next Generation of Ext2/3 Filesystem” 查看關于 ext4 的優秀介紹。
  
  ?
• 閱讀 Tim 的 “Linux 文件系統剖析”（developerWorks，2007 年 10 月）和 “Linux 日志文件系統剖析”（developerWorks，2008 年 6 月），了解更多關于 Linux 文件系統和日志文件系統的信息。
  
  ?
• 從 Softpedia 了解新發布的內核 2.6.28：2.6.28，從 Heise 在線了解 2.6.29：2.6.29。新發布的 2.6.28 和 2.6.29 內核取得了重大的進步。
  
  ?
• 更多地了解 ext4 的早期歷史。這篇于 2006 年發表的文章介紹了 Theodore Tso 關于未來 ext4 文件系統的早期建議。
  
  ?
• 從 University of Wisconsin-Madison 的站點上閱讀 Vijayan Prabhakaran's IRON File Systems dissertation。IRON (Internal RObustNess) 技術假設磁盤以獨特的方式失敗，并提供解決辦法。IRON 尤其建議使用日志記錄進行失敗檢測和恢復。
  
  ?
• 更多地閱讀 Tim 在 developerWorks 上的文章。
  
  ?
• 在 developerWorks Linux 專區 尋找為 Linux 開發人員（包括 Linux 新手入門）準備的更多參考資料，查閱我們 最受歡迎的文章和教程。
  
  ?
• 在 developerWorks 上查閱所有 Linux 技巧 和 Linux 教程。
  
  ?
• 隨時關注 developerWorks 的 技術活動和網絡廣播。?
• ?
• http://zauc.wordpress.com/tag/ext4/(ext4-howto中文)
  ?

轉載于:https://blog.51cto.com/uplook/526728

《新程序員》：云原生和全面數字化實踐50位技術專家共同創作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結

以上是生活随笔為你收集整理的剖析 ext4的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。