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。

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