Linux kernel 自 2.6.28 開始正式支持新的檔案系統 Ext4。 Ext4 是 Ext3 的改進版,修改了 Ext3 中部分重要的資料結構,而不僅僅像 Ext3 對 Ext2 那樣,只是增加了一個日誌功能而已。Ext4 可以提供更佳的性能和可靠性,還有更為豐富的功能:

1. 與 Ext3 相容。 執行若干條命令,就能從 Ext3 線上遷移到 Ext4,而無須重新格式化磁片或重新安裝系統。原有 Ext3 資料結構照樣保留,Ext4 作用於新資料,當然,整個檔案系統因此也就獲得了 Ext4 所支援的更大容量。

2. 更大的檔案系統和更大的文件。 較之 Ext3 目前所支持的最大 16TB 檔案系統和最大 2TB 檔,Ext4 分別支持 1EB(1,048,576TB, 1EB=1024PB, 1PB=1024TB)的檔案系統,以及 16TB 的檔。

3. 無限數量的子目錄。 Ext3 目前只支持 32,000 個子目錄,而 Ext4 支持無限數量的子目錄。

4. Extents。 Ext3 採用間接塊映射,當操作大檔時,效率極其低下。比如一個 100MB 大小的檔,在 Ext3 中要建立 25,600 個資料塊(每個資料塊大小為 4KB)的映射表。而 Ext4 引入了現代檔案系統中流行的 extents 概念,每個 extent 為一組連續的資料塊,上述檔則表示為“該檔資料保存在接下來的 25,600 個資料塊中”,提高了不少效率。

5. 多塊分配。 當寫入資料到 Ext3 檔案系統中時,Ext3 的資料塊分配器每次只能分配一個 4KB 的塊,寫一個 100MB 檔就要調用 25,600 次資料塊分配器,而 Ext4 的多塊分配器“multiblock allocator”(mballoc) 支持一次調用分配多個資料塊。

6. 延遲分配。 Ext3 的資料塊分配策略是儘快分配,而 Ext4 和其它現代檔作業系統的策略是盡可能地延遲分配,直到檔在 cache 中寫完才開始分配資料塊並寫入磁片,這樣就能優化整個檔的資料塊分配,與前兩種特性搭配起來可以顯著提升性能。

7. 快速 fsck。 以前執行 fsck 第一步就會很慢,因為它要檢查所有的 inode,現在 Ext4 給每個組的 inode 表中都添加了一份未使用 inode 的列表,今後 fsck Ext4 檔案系統就可以跳過它們而只去檢查那些在用的 inode 了。

8. 日誌校驗。 日誌是最常用的部分,也極易導致磁片硬體故障,而從損壞的日誌中恢復資料會導致更多的資料損壞。Ext4 的日誌校驗功能可以很方便地判斷日誌資料是否損壞,而且它將 Ext3 的兩階段日誌機制合併成一個階段,在增加安全性的同時提高了性能。

9. “無日誌”(No Journaling)模式。 日誌總歸有一些開銷,Ext4 允許關閉日誌,以便某些有特殊需求的使用者可以借此提升性能。

10. 線上磁碟重組。 儘管延遲分配、多塊分配和 extents 能有效減少檔案系統碎片,但碎片還是不可避免會產生。Ext4 支援線上磁碟重組,並將提供 e4defrag 工具進行個別檔或整個檔案系統的磁碟重組。

11. inode 相關特性。 Ext4 支持更大的 inode,較之 Ext3 默認的 inode 大小 128 位元組,Ext4 為了在 inode 中容納更多的擴展屬性(如納秒時間戳記或 inode 版本),默認 inode 大小為 256 位元組。Ext4 還支援快速擴展屬性(fast extended attributes)和 inode 保留(inodes reservation)。

12. 持久預分配(Persistent preallocation)。 P2P 軟體為了保證下載檔案有足夠的空間存放,常常會預先創建一個與所下載檔案大小相同的空檔,以免未來的數小時或數天之內磁碟空間不足導致下載失敗。 Ext4 在檔案系統層面實現了持久預分配並提供相應的 API(libc 中的 posix_fallocate()),比應用軟體自己實現更有效率。

13. 預計啟用 barrier。 磁片上配有內部緩存,以便重新調整批量資料的寫操作順序,優化寫入性能,因此檔案系統必須在日誌資料寫入磁片之後才能寫 commit 記錄,若 commit 記錄寫入在先,而日誌有可能損壞,那麼就會影響資料完整性。Ext4 默認啟用 barrier,只有當 barrier 之前的資料全部寫入磁片,才能寫 barrier 之後的資料。(可通過 "mount -o barrier=0" 命令禁用該特性)


ext2 與 ext3

Linux ext2/ext3檔案系統使用索引節點來記錄檔資訊,作用像windows的檔案配置表。索引節點是一個結構,它包含了一個檔的長度、創建及修改時 間、許可權、所屬關係、磁片中的位置等資訊。一個檔案系統維護了一個索引節點的陣列,每個檔或目錄都與索引節點陣列中的唯一一個元素對應。系統給每個索引 節點分配了一個號碼,也就是該節點在陣列中的索引號,稱為索引節點號。 linux檔案系統將檔索引節點號和檔案名同時保存在目錄中。所以,目錄只是將檔的名稱和它的索引節點號結合在一起的一張表,目錄中每一對檔案名稱和 索引節點號稱為一個連接。 對於一個檔來說有唯一的索引節點號與之對應,對於一個索引節點號,卻可以有多個檔案名與之對應。因此,在磁片上的同一個檔可以通過不同的路徑去訪問 它。


Linux 之前預設情況下使用的檔案系統為Ext2,ext2檔案系統的確高效穩定。但是,隨著Linux系統在關鍵業務中的應用,Linux檔案系統的弱點也漸漸 顯露出來了:其中系統預設使用的ext2檔案系統是非日誌檔案系統。這在關鍵行業的應用是一個致命的弱點。本文向各位介紹Linux下使用ext3日誌文 件系統應用。


Ext3檔案系統是直接從Ext2檔案系統發展而來,目前ext3檔案系統已經非常穩定可靠。它完全相容ext2檔案系統。使用者可以平滑地過渡到一個日誌功能健全的檔案系統中來。這實際上了也是ext3日誌檔案系統初始設計的初衷。

Ext3日誌檔案系統的特點
1、高可用性:系統使用了ext3檔案系統後,即使在非正常關機後,系統也不需要檢查檔案系統。宕機發生後,恢復ext3檔案系統的時間只要數十秒鐘。

2、資料的完整性:ext3 檔案系統能夠極大地提高檔案系統的完整性,避免了意外宕機對檔案系統的破壞。在保證資料完整性方面,ext3檔案系統有2種模式可供選擇。其中之一就是 “同時保持檔案系統及資料的一致性”模式。採用這種方式,你永遠不再會看到由於非正常關機而存儲在磁片上的垃圾檔。

3、檔案系統的速度:儘管使用ext3檔案系統時,有時在存儲資料時可能要多次寫資料,但是,從總體上看來,ext3比ext2的性能還要好一些。這是因為ext3的日誌功能對磁片的驅動器讀寫頭進行了優化。所以,檔案系統的讀寫性能較之Ext2檔案系統並來說,性能並沒有降低。

4、資料轉換:由 ext2檔案系統轉換成ext3檔案系統非常容易,只要簡單地鍵入兩條命令即可完成整個轉換過程,用戶不用花時間備份、恢復、格式化分區等。用一個 ext3檔案系統提供的小工具tune2fs,它可以將ext2檔案系統輕鬆轉換為ext3日誌檔案系統。另外,ext3檔案系統可以不經任何更改,而直接載入成為ext2檔案系統。

5、多種日誌模式:Ext3 有多種日誌模式,一種工作模式是對所有的檔資料及metadata(定義檔案系統中資料的資料,即資料的資料)進行日誌記錄(data=journal 模式);另一種工作模式則是只對metadata記錄日誌,而不對資料進行日誌記錄,也即所謂data=ordered或者data=writeback 模式。系統管理人員可以根據系統的實際工作要求,在系統的工作速度與檔資料的一致性之間作出選擇。


附註:用SSD硬碟測試,測試結果除了表明 Intel SSD 的讀寫速度快得令人咋舌之外,還可以說明 Ext4 的各方面性能都超過了上一代 Ext3,甚至在大多數情況下,比沒有日誌功能的 Ext2 還要快出不少。

參考:http://blog.csdn.net/galdys/article/details/8268694

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