深入理解ext4等Linux文件系统

Ts'o 将 ext4 描述为一个显著扩展 ext3 但仍然依赖于旧技术的临时技术。他预计 ext4 终将会被真正的下一代文件系统所取代。

Dell Precision 380 工作站，Lance Fisher，CC BY-SA 2.0

ext4 在功能上与 ext3 在功能上非常相似，但支持大文件系统，提高了对碎片的抵抗力，有更高的性能以及更好的时间戳。

ext4 vs ext3

ext3 和 ext4 有一些非常明确的差别，在这里集中讨论下。

向后兼容性

ext4 特地设计为尽可能地向后兼容 ext3。这不仅允许 ext3 文件系统原地升级到 ext4；也允许 ext4 驱动程序以 ext3 模式自动挂载 ext3 文件系统，因此使它无需单独维护两个代码库。

大文件系统

ext3 文件系统使用 32 位寻址，这限制它仅支持 2 TiB 文件大小和 16 TiB 文件系统系统大小（这是假设在块大小为 4 KiB 的情况下，一些 ext3 文件系统使用更小的块大小，因此对其进一步被限制）。

ext4 使用 48 位的内部寻址，理论上可以在文件系统上分配高达 16 TiB 大小的文件，其中文件系统大小最高可达 1000000 TiB（1 EiB）。在早期 ext4 的实现中有些用户空间的程序仍然将其限制为最大大小为 16 TiB 的文件系统，但截至 2011 年，e2fsprogs 已经直接支持大于 16 TiB 大小的 ext4 文件系统。例如，红帽企业 Linux 在其合同上仅支持最高 50 TiB 的 ext4 文件系统，并建议 ext4 卷不超过 100 TiB。

分配方式改进

ext4 在将存储块写入磁盘之前对存储块的分配方式进行了大量改进，这可以显著提高读写性能。

区段

区段extent是一系列连续的物理块 (最多达 128 MiB，假设块大小为 4 KiB），可以一次性保留和寻址。使用区段可以减少给定文件所需的 inode 数量，并显著减少碎片并提高写入大文件时的性能。

多块分配

ext3 为每一个新分配的块调用一次块分配器。当多个写入同时打开分配器时，很容易导致严重的碎片。然而，ext4 使用延迟分配，这允许它合并写入并更好地决定如何为尚未提交的写入分配块。

持久的预分配

在为文件预分配磁盘空间时，大部分文件系统必须在创建时将零写入该文件的块中。ext4 允许替代使用 fallocate()，它保证了空间的可用性（并试图为它找到连续的空间），而不需要先写入它。这显著提高了写入和将来读取流和数据库应用程序的写入数据的性能。

延迟分配

这是一个耐人寻味而有争议性的功能。延迟分配允许 ext4 等待分配将写入数据的实际块，直到它准备好将数据提交到磁盘。（相比之下，即使数据仍然在往写入缓存中写入，ext3 也会立即分配块。）

当缓存中的数据累积时，延迟分配块允许文件系统对如何分配块做出更好的选择，降低碎片（写入，以及稍后的读）并显著提升性能。然而不幸的是，它 增加 了还没有专门调用 fsync() 方法（当程序员想确保数据完全刷新到磁盘时）的程序的数据丢失的可能性。

假设一个程序完全重写了一个文件：

fd=open("file", O_TRUNC); write(fd, data); close(fd);

使用旧的文件系统，close(fd); 足以保证 file 中的内容刷新到磁盘。即使严格来说，写不是事务性的，但如果文件关闭后发生崩溃，则丢失数据的风险很小。

如果写入不成功（由于程序上的错误、磁盘上的错误、断电等），文件的原始版本和较新版本都可能丢失数据或损坏。如果其它进程在写入文件时访问文件，则会看到损坏的版本。如果其它进程打开文件并且不希望其内容发生更改 —— 例如，映射到多个正在运行的程序的共享库。这些进程可能会崩溃。

为了避免这些问题，一些程序员完全避免使用 O_TRUNC。相反，他们可能会写入一个新文件，关闭它，然后将其重命名为旧文件名：

fd=open("newfile"); write(fd, data); close(fd); rename("newfile", "file");

（编辑：武汉站长网）

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