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Linux下常见文件系统对比

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历史

文件系统 创建者 创建时间 最开始支持的平台
ext2 Rémy Card 1993 Linux,Hurd
XFS SGI 1994 IRIX, Linux, FreeBSD
ext3 Dr. Stephen C. Tweedie 1999 Linux
ZFS Sun 2004 Solaris
ext4 众多开发者 2006 Linux
Btrfs Oracle 2007 Linux

从创建时间可以看出他们所处的不同时代,因为Btrfs的实现借鉴自ZFS,所以这里也将ZFS列出来作为参考。

大小限制

文件系统 最大文件名长度 最大文件大小 最大分区大小
ext2 255 bytes 2 TB 16 TB
ext3 255 bytes 2 TB 16 TB
ext4 255 bytes 16 TB 1 EB
XFS 255 bytes 8 EB 8 EB
Btrfs 255 bytes 16 EB 16 EB

最大文件和分区大小受格式化分区时所采用的块大小(block size)所影响,块越大,所支持的最大文件和分区越大,也越可能浪费磁盘空间,上表列出的数据基于4K的块大小。

代码规模

从代码规模可以看出文件系统的功能丰富程度以及复杂度,下面列出的数据来自于kernel-4.1-rc8,只是简单的用wc -l来统计,没有过滤空行、注释等。

文件系统 源文件(.c) 头文件(.h)
ext2 8363 1016
ext3 16496 1567
ext4 44650 4522
XFS 89605 15091
Btrfs 105254 7933
  • Btrfs还在快速的开发过程中,代码行数可能还有比较大的变化

  • XFS和Btrfs都使用了B-tree

ext2

ext的优点是比较简单,文件比较少时性能较好,比较适合文件少的场景,主要缺点如下

  • inode的数量是固定不变的,在格式化分区的时候可以指定inode和数据块所占空间的比例,但一旦格式化好,后续就没法再改变了

  • 当块大小为4K时,单个文件大小不能超过2TB,分区大小不能超过16TB(目前硬盘大小一般都只有几TB,所以也不是什么大问题,)

  • 一个目录下最多只能有32000个子目录

  • 由于目录里面存储的文件和子目录都是以线性方式来组织的,所以遍历目录效率不高,尤其当目录下文件个数达到10K以上规模的时候,速度会明显的变慢

  • 当底层的磁盘分区空间变大时(使用LVM时很常见),ext2没法动态的扩展来使用增加的空间

  • 没有日志(Journal)功能,所以数据的安全性不高

ext3

ext3在ext2的基础上实现了下面几个功能,其它的都保持不变,即ext2的缺点ext3也有

  • 支持日志(Journal)功能,数据的安全性较ext2有很大的提高

  • 当底层的分区空间变大时,ext3可以自动扩展来使用增加的空间

  • 使用HTree来组织目录里面的文件和子目录,使目录下的文件和子目录数不再受性能限制(数量超过10K也不会有性能问题)

ext4

ext4借鉴了当前成熟的一些文件系统技术,在ext3上增加了一些功能,并且对性能做了一些改进,主要变化如下

  • 当块大小为4K时,支持的最大文件和最大分区大小分别达到了16TB和1EB

  • 不再受32000个子目录数的限制,支持不限数量的子目录个数

  • 支持Extents,提高了大文件的操作性能

  • 内部实现上支持一次分配多个数据块,较ext3的性能有所提高

  • 支持延时分配(即支持fallocate函数)(fallocate是libc的函数,在不支持该功能的文件系统上,libc会创建一个占用磁盘空间文件)

  • 支持在线快速扫描

  • 支持在线碎片整理(单个文件或者整个分区)

  • 日志(Journal)支持校验码(checksum),数据的安全性进一步提高

  • 支持无日志(No Journaling)模式(ext3不支持该功能),这样就和ext2一样,消除了写日志对性能的影响

  • 支持纳秒级的时间戳

  • 记录了文件的创建时间,由于相关的应用层工具还不支持,所以只能通过debug的方式看到文件的创建时间

这里是一个查看文件/etc/fstab创建时间的例子(文件存在/dev/sda1分区上):

dev@ubuntu:~$ ls -i /etc/fstab
10747906 /etc/fstab
dev@ubuntu:~$ sudo debugfs -R 'stat <10747906>' /dev/sda1
Inode: 10747906   Type: regular    Mode:  0644   Flags: 0x80000
Links: 1   Blockcount: 8
ctime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May  3 22:41:24 2015
 atime: 0x55d1b014:8bcf7b44 -- Mon Aug 17 05:57:40 2015
 mtime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May  3 22:41:24 2015
crtime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May  3 22:41:24 2015
Size of extra inode fields: 28
EXTENTS: (0):46712815

Extents: 在最开始的ext2文件系统中,数据块都是一个一个单独管理的,inode中存有指向数据块的指针,文件占用了多少个数据块,inode里面就有多少个指针(多级),想象一下一个1G的文件,4K的块大小,那么需要(1024 * 1024)/4=262144个数据块,即需要262144个指针,创建文件的时候需要初始化这些指针,删除文件的时候需要回收这些指针,影响性能。现代的文件系统都支持Extents的功能,简单点说,Extent就是数据块的集合,以前一次分配一个数据块,现在可以一次分配一个Extent,里面包含很多数据块,同时inode里面只需要分配指向Extent的指针就可以了,从而大大减少了指针的数量和层级,提高了大文件操作的性能。

inode数量固定: 在ext2/3/4系列的文件系统中,inode的数量都是固定的,坏处是如果存很多小文件的话,有可能造成inode被用光,但磁盘还有很多剩余空间无法被使用的情况,不过它也有一个好处,就是一旦磁盘损坏,恢复起来要相对简单些,因为数据在磁盘上布局相对要固定简单。

xfs

和ext4相比,xfs不支持下面这些功能

  • 不支持日志(Journal)校验码

  • 不支持无日志(No Journaling)模式

  • 不支持文件创建时间

  • 不支持数据日志(data journal),只有元数据日志(metadata journal)

但xfs有下面这些特性

  • 支持的最大文件和分区都达到了8EB

  • inode动态分配,从而不受inode数量的限制,再也不用担心存储大量小文件导致inode不够用的问题了。

  • 更大的xattr(extended attributes)空间,ext2/3/4及btrfs都限制xattr的长度不能超过一个块(一般是4K),而xfs可以达到64K

  • 内部采用Allocation groups机制,各个group之间没有依赖,支持并发操作,在多核环境的某些场景下性能表现不错

  • 提供了原生的dump和restore工具,并且支持在线dump

btrfs

btrfs是一个和ZFS类似的文件系统,支持的功能非常多,据说将来会替换ext4成为Linux下的默认文件系统。这里列举一些重要的功能

  • 支持的最大文件和分区达到了16EB

  • 支持COW(copy on write)

  • 针对小文件和SSD做了优化

  • inode动态分配

  • 支持子分区(Subvolumes),子分区可以单独挂载

  • 支持元数据和数据的校验(crc32)

  • 支持压缩,去重

  • 支持多个磁盘和分区,可动态扩展

  • 支持LVM,RAID的功能(有了btrfs,就不再需要lvm和软raid了)

  • 增量备份和恢复

  • 支持快照

  • 将ext2/3/4转换成btrfs(反过来不行)

btrfs最大的缺点就是由于其COW的实现方式,导致碎片化问题比较严重,不太适合频繁写的场景,比如数据库、虚拟机的磁盘文件等。不过大部分场合不需要担心,btrfs有在线的碎片整理工具。

如何选择

下表仅供参考

文件系统 适用场景 原因
ext2 U盘 U盘一般不会存很多文件,且U盘的文件在电脑上有备份,安全性要求没那么高,由于ext2不写日志(journal),所以写U盘性能比较好。当然由于ext2的兼容性没有fat好,目前大多数U盘格式还是用fat
ext3 对稳定性要求高的地方 有了ext4后,好像没什么原因还要用ext3,ext4现在的问题是出来时间不长,还需要一段时间变稳定
ext4 小文件较少 ext系列的文件系统都不支持inode动态分配,所以如果有大量小文件需要存储的话,不建议用ext4
xfs 小文件多或者需要大的xttr空间,如openstack swift将数据文件的元数据放在了xttr里面 xfs支持inode动态分配,所以不存在inode不够的情况,并且xttr的最大长度可以达到64K
btrfs 没有频繁的写操作,且需要btrfs的一些特性 btrfs虽然还不稳定,但支持众多的功能,如果你需要这些功能,且不会频繁的写文件,那么选择btrfs

另外,ext系列文件系统内部结构相对简单一些,出问题后恢复相对容易。

结束语

本篇没有比较它们的性能,在通常情况下,他们之间没有太大的性能差别,只有在特定的场景下,才能看出区别,如果对性能比较敏感,建议根据自己的使用场景来测试不同的文件系统,然后根据结果来选择。

如题所述,LVM最大的作用是弹性伸缩分区的容量,在ext时代,不支持弹性分区,lvm很好的解决了这个问题,可以在线拉伸容量而不需要down掉服务。

而新的文件系统如xfs(RHEL7默认使用),Btrfs(似乎快照功能对个人用户比较有用),Zfs(据说这个应该是最牛逼的了,不过还处于试验当中)都已经支持弹性分区,是否LVM已经淡出江湖了?

如果用这一类的文件系统的话,是否LVM已经无用武之地了?

文件系统似乎是内核中比较稳定的部分,多年来,人们一直使用 ext2/3,ext 文件系统以其卓越的稳定性成为了事实上的 Linux 标准文件系统。近年来 ext2/3 暴露出了一些扩展性问题,于是便催生了 ext4 。在 2008 年发布的 Linux2.6.19 内核中集成了 ext4 的 dev 版本。 2.6.28 内核发布时,ext4 结束了开发版,开始接受用户的使用。似乎 ext 就将成为 Linux 文件系统的代名词。然而当您阅读很多有关 ext4 的文章时,会发现都不约而同地提到了 btrfs,并认为 ext4 将是一个过渡的文件系统。 ext4 的作者 Theodore Tso 也盛赞 btrfs 并认为 btrfs 将成为下一代 Linux 标准文件系统。 Oracle,IBM, Intel 等厂商也对 btrfs 表现出了极大的关注,投入了资金和人力。为什么 btrfs 如此受人瞩目呢。这便是本文首先想探讨的问题。

Kevin Bowling[1] 有一篇介绍各种文件系统的文章,在他看来,ext2/3 等文件系统属于“古典时期”。文件系统的新时代是 2005 年由 Sun 公司的 ZFS 开创的。 ZFS 代表” last word in file system ”,意思是此后再也不需要开发其他的文件系统了。 ZFS 的确带来了很多崭新的观念,对文件系统来讲是一个划时代的作品。

如果您比较 btrfs 的特性,将会发现 btrfs 和 ZFS 非常类似。也许我们可以认为 btrfs 就是 Linux 社区对 ZFS 所作出的回应。从此往后在 Linux 中也终于有了一个可以和 ZFS 相媲美的文件系统。

详情参考:

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-btrfs/

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