EXT文件系統(tǒng)特性介紹

ext2與ext3

Linux ext2/ext3文件系統(tǒng)使用索引節(jié)點來記錄文件信息，作用像windows的文件分配表。索引節(jié)點是一個結(jié)構(gòu)，它包含了一個文件的長度、創(chuàng)建及修改時間、權(quán)限、所屬關(guān)系、磁盤中的位置等信息。一個文件系統(tǒng)維護了一個索引節(jié)點的數(shù)組，每個文件或目錄都與索引節(jié)點數(shù)組中的唯一一個元素對應(yīng)。系統(tǒng)給每個索引節(jié)點分配了一個號碼，也就是該節(jié)點在數(shù)組中的索引號，稱為索引節(jié)點號。 linux文件系統(tǒng)將文件索引節(jié)點號和文件名同時保存在目錄中。所以，目錄只是將文件的名稱和它的索引節(jié)點號結(jié)合在一起的一張表，目錄中每一對文件名稱和索引節(jié)點號稱為一個連接。 對于一個文件來說有唯一的索引節(jié)點號與之對應(yīng)，對于一個索引節(jié)點號，卻可以有多個文件名與之對應(yīng)。因此，在磁盤上的同一個文件可以通過不同的路徑去訪問它。
Linux之前缺省情況下使用的文件系統(tǒng)為Ext2，ext2文件系統(tǒng)的確高效穩(wěn)定。但是，隨著Linux系統(tǒng)在關(guān)鍵業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，Linux文件系統(tǒng)的弱點也漸漸顯露出來了:其中系統(tǒng)缺省使用的ext2文件系統(tǒng)是非日志文件系統(tǒng)。這在關(guān)鍵行業(yè)的應(yīng)用是一個致命的弱點。本文向各位介紹Linux下使用ext3日志文件系統(tǒng)應(yīng)用。
Ext3文件系統(tǒng)是直接從Ext2文件系統(tǒng)發(fā)展而來，目前ext3文件系統(tǒng)已經(jīng)非常穩(wěn)定可靠。它完全兼容ext2文件系統(tǒng)。用戶可以平滑地過渡到一個日志功能健全的文件系統(tǒng)中來。這實際上了也是ext3日志文件系統(tǒng)初始設(shè)計的初衷。

Ext3日志文件系統(tǒng)的特點
1、高可用性
系統(tǒng)使用了ext3文件系統(tǒng)后，即使在非正常關(guān)機后，系統(tǒng)也不需要檢查文件系統(tǒng)。宕機發(fā)生后，恢復(fù)ext3文件系統(tǒng)的時間只要數(shù)十秒鐘。
2、數(shù)據(jù)的完整性:
ext3文件系統(tǒng)能夠極大地提高文件系統(tǒng)的完整性，避免了意外宕機對文件系統(tǒng)的破壞。在保證數(shù)據(jù)完整性方面，ext3文件系統(tǒng)有2種模式可供選擇。其中之一就是“同時保持文件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的一致性”模式。采用這種方式，你永遠不再會看到由于非正常關(guān)機而存儲在磁盤上的垃圾文件。
3、文件系統(tǒng)的速度:
盡管使用ext3文件系統(tǒng)時，有時在存儲數(shù)據(jù)時可能要多次寫數(shù)據(jù)，但是，從總體上看來，ext3比ext2的性能還要好一些。這是因為ext3的日志功能對磁盤的驅(qū)動器讀寫頭進行了優(yōu)化。所以，文件系統(tǒng)的讀寫性能較之Ext2文件系統(tǒng)并來說，性能并沒有降低。
4、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
  由ext2文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成ext3文件系統(tǒng)非常容易，只要簡單地鍵入兩條命令即可完成整個轉(zhuǎn)換過程，用戶不用花時間備份、恢復(fù)、格式化分區(qū)等。用一個ext3文件系統(tǒng)提供的小工具tune2fs，它可以將ext2文件系統(tǒng)輕松轉(zhuǎn)換為ext3日志文件系統(tǒng)。另外，ext3文件系統(tǒng)可以不經(jīng)任何更改，而直接加載成為ext2文件系統(tǒng)。
5、多種日志模式
  Ext3有多種日志模式，一種工作模式是對所有的文件數(shù)據(jù)及metadata（定義文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù),即數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)）進行日志記錄（data=journal模式）；另一種工作模式則是只對metadata記錄日志，而不對數(shù)據(jù)進行日志記錄，也即所謂data=ordered或者data=writeback模式。系統(tǒng)管理人員可以根據(jù)系統(tǒng)的實際工作要求，在系統(tǒng)的工作速度與文件數(shù)據(jù)的一致性之間作出選擇。

實際使用Ext3文件系統(tǒng)

創(chuàng)建新的ext3文件系統(tǒng)，例如要把磁盤上的hda8分區(qū)格式化ext3文件系統(tǒng)，并將日志記錄在/dev/hda1分區(qū)，那么操作過程如下：
[root@stationxx root]# mke2fs -j /dev/hda8
mke2fs 1.24a (02-Sep-2001)
Filesystem label=
OS type: Linux
Block size=1024 (log=0)
.. .. ..
Creating journal (8192 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done
This filesystem will be automatically checked every 30 mounts or
180 days, whichever comes first. Use tune2fs -c or -i to override.
在創(chuàng)建新的文件系統(tǒng)時，可以看到，ext3文件系統(tǒng)執(zhí)行自動檢測的時間為180天或每第31次被mount時，實際上這個參數(shù)可以根據(jù)需要隨意調(diào)節(jié)。

以下將新的文件系統(tǒng)mount到主分區(qū)/data目錄下:
[root@stionxx root]# mount -t ext3 /dev/hda8 /data
說明：以上將已格式化為ext3文件系統(tǒng)的/dev/hda8分區(qū)加載到/data目錄下。

ext3 基于ext2 的代碼，它的磁盤格式和 ext2 的相同；這意味著，一個干凈卸裝的 ext3 文件系統(tǒng)可以作為 ext2 文件系統(tǒng)重新掛裝。Ext3文件系統(tǒng)仍然能被加載成ext2文件系統(tǒng)來使用，你可以把一個文件系統(tǒng)在ext3和ext2自由切換。這時在ext2文件系統(tǒng)上的ext3日志文件仍然存在,只是ext2不能認出日志而已。

以轉(zhuǎn)換文件系統(tǒng)為例，將ext2文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為ext3文件系統(tǒng)，命令如下：
[root@stationxx root]# tune2fs -j /dev/hda9
tune2fs 1.24a (02-Sep-2001)
Creating journal inode: done
This filesystem will be automatically checked every 31 mounts or
180 days, whichever comes first. Use tune2fs -c or -i to override.
這樣，原來的ext2文件系統(tǒng)就轉(zhuǎn)換成了ext3文件系統(tǒng)。注意將ext2文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為ext3文件系統(tǒng)時，不必要將分區(qū)缷載下來轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換完成后，不要忘記將/etc/fstab文件中所對應(yīng)分區(qū)的文件系統(tǒng)由原來的ext2更改為ext3。

ext3日志的存放位置
可以將日志放置在另外一個存儲設(shè)備上，例如存放到分區(qū)/dev/hda8。例如要在/dev/hda8上創(chuàng)建一個ext3文件系統(tǒng)，并將日志存放在外部設(shè)備/dev/hda2上，則運行以下命令：
[root @stationxx root]#mke2fs -J device=/dev/hda8 /dev/hda2

ext3文件系統(tǒng)修復(fù)
新的e2fsprogs中的e2fsck支持ext3文件系統(tǒng)。當一個ext3文件系統(tǒng)被破壞時,先卸載該設(shè)備,在用e2fsck修復(fù)：
[root @stationxx root] # umount /dev/hda8
[root @stationxx root] #e2fsck -fy /dev/hda8

ext3的優(yōu)點
為什么你需要從ext2遷移到ext3呢？以下有四個主要原因：可用性、數(shù)據(jù)完整性、速度、易于遷移。
1、可用性
在非正常當機后（停電、系統(tǒng)崩潰），只有在通過e2fsck進行一致性校驗后，ext2文件系統(tǒng)才能被裝載使用。運行e2fsck的時間主要取決于 ext2文件系統(tǒng)的大小。校驗稍大一些的文件系統(tǒng)（幾十GB）需要很長時間。如果文件系統(tǒng)上的文件數(shù)量多，校驗的時間則更長。校驗幾百個GB的文件系統(tǒng)可能需要一個小時或更長。這極大地限制了可用性。相比之下，除非發(fā)生硬件故障，即使非正常關(guān)機，ext3也不需要文件系統(tǒng)校驗。這是因為數(shù)據(jù)是以文件系統(tǒng)始終保持一致方式寫入磁盤的。在非正常關(guān)機后，恢復(fù)ext3文件系統(tǒng)的時間不依賴于文件系統(tǒng)的大小或文件數(shù)量，而依賴于維護一致性所需“日志”的大小。使用缺省日志設(shè)置，恢復(fù)時間僅需一秒（依賴于硬件速度）。
2、數(shù)據(jù)完整性
使用ext3文件系統(tǒng)，在非正常關(guān)機時，數(shù)據(jù)完整性能得到可靠的保障。你可以選擇數(shù)據(jù)保護的類型和級別。你可以選擇保證文件系統(tǒng)一致，但是允許文件系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)在非正常關(guān)機時受損；這是可以在某些狀況下提高一些速度（但非所有狀況）。你也可以選擇保持數(shù)據(jù)的可靠性與文件系統(tǒng)一致；這意味著在當機后，你不會在新近寫入的文件中看到任何數(shù)據(jù)垃圾。這個保持數(shù)據(jù)的可靠性與文件系統(tǒng)一致的安全的選擇是缺省設(shè)置。
3、速度
盡管ext3寫入數(shù)據(jù)的次數(shù)多于ext2，但是ext3常?？煊趀xt2（高數(shù)據(jù)流）。這是因為ext3的日志功能優(yōu)化硬盤磁頭的轉(zhuǎn)動。你可以從3種日志模式中選擇1種來優(yōu)化速度，有選擇地犧牲一些數(shù)據(jù)完整性。
4、易于遷移
你可以不重新格式化硬盤，并且很方便的從ext2遷移至ext3而享受可靠的日志文件系統(tǒng)的好處。對，不需要做長時間的、枯燥的、有可能失誤的“備份－重新格式化－恢復(fù)”操作，就可以體驗ext3的優(yōu)點。有兩種遷移的方法：
· 如果你升級你的系統(tǒng)，Red Hat Linux安裝程序會協(xié)助遷移。需要你做的工作 就是為每一個文件系統(tǒng)按一下選擇按鈕。
· 使用tune2fs程序可以為現(xiàn)存的ext2文件系統(tǒng)增加日志功能。如果文件系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換的過程已經(jīng)被裝載了(mount)，那么在root目錄下會出現(xiàn)文件”.journal”；如果文件系統(tǒng)沒有被裝載，那么文件系統(tǒng)中不會出現(xiàn)該文件。轉(zhuǎn)換文件系統(tǒng)，只需要運行tune2fs –j /dev/hda1(或者你要轉(zhuǎn)換的文件系統(tǒng)所在的任何設(shè)備名稱)，同時把文件/etc/fstab中的ext2修改為ext3。如果你要轉(zhuǎn)換自己的根文件系統(tǒng)，你必須使用initrd引導(dǎo)啟動。參照mkinitrd的手冊描述運行程序，同時確認自己的LILO或GRUB配置中裝載了initrd（如果沒有成功，系統(tǒng)仍然能啟動，但是根文件系統(tǒng)會以ext2形式裝載，而不是ext3，你可以使用命令cat /proc/mounts 來確認這一點。）詳情可參看tune2fs命令的man page在線手冊（執(zhí)行man tune2fs）。

總而言之，ext3日志文件系統(tǒng)是目前l(fā)inux系統(tǒng)由ext2文件系統(tǒng)過度到日志文件系統(tǒng)最為簡單的一種選擇，實現(xiàn)方式也最為簡潔。由于是直接從ext2文件系統(tǒng)發(fā)展而來，系統(tǒng)由ext2文件系統(tǒng)過渡到ext3日志文件系統(tǒng)升級過程平滑，可以最大限度地保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。目前l(fā)inux系統(tǒng)要使用日志文件系統(tǒng)，最保險的方式就是選擇ext3文件系統(tǒng)。

最新的ext4
Linux kernel 自 2.6.28 開始正式支持新的文件系統(tǒng) Ext4。 Ext4 是 Ext3 的改進版，修改了 Ext3 中部分重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不僅僅像 Ext3 對 Ext2 那樣，只是增加了一個日志功能而已。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 兼容。 執(zhí)行若干條命令，就能從 Ext3 在線遷移到 Ext4，而無須重新格式化磁盤或重新安裝系統(tǒng)。原有 Ext3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)照樣保留，Ext4 作用于新數(shù)據(jù)，當然，整個文件系統(tǒng)因此也就獲得了 Ext4 所支持的更大容量。
2. 更大的文件系統(tǒng)和更大的文件。 較之 Ext3 目前所支持的最大 16TB 文件系統(tǒng)和最大 2TB 文件，Ext4 分別支持 1EB（1,048,576TB， 1EB=1024PB， 1PB=1024TB）的文件系統(tǒng)，以及 16TB 的文件。
3. 無限數(shù)量的子目錄。 Ext3 目前只支持 32,000 個子目錄，而 Ext4 支持無限數(shù)量的子目錄。
4. Extents。 Ext3 采用間接塊映射，當操作大文件時，效率極其低下。比如一個 100MB 大小的文件，在 Ext3 中要建立 25,600 個數(shù)據(jù)塊（每個數(shù)據(jù)塊大小為 4KB）的映射表。而 Ext4 引入了現(xiàn)代文件系統(tǒng)中流行的 extents 概念，每個 extent 為一組連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，上述文件則表示為“該文件數(shù)據(jù)保存在接下來的 25,600 個數(shù)據(jù)塊中”，提高了不少效率。
5. 多塊分配。 當寫入數(shù)據(jù)到 Ext3 文件系統(tǒng)中時，Ext3 的數(shù)據(jù)塊分配器每次只能分配一個 4KB 的塊，寫一個 100MB 文件就要調(diào)用 25,600 次數(shù)據(jù)塊分配器，而 Ext4 的多塊分配器“multiblock allocator”（mballoc） 支持一次調(diào)用分配多個數(shù)據(jù)塊。
6. 延遲分配。 Ext3 的數(shù)據(jù)塊分配策略是盡快分配，而 Ext4 和其它現(xiàn)代文件操作系統(tǒng)的策略是盡可能地延遲分配，直到文件在 cache 中寫完才開始分配數(shù)據(jù)塊并寫入磁盤，這樣就能優(yōu)化整個文件的數(shù)據(jù)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(zhí)行 fsck 第一步就會很慢，因為它要檢查所有的 inode，現(xiàn)在 Ext4 給每個組的 inode 表中都添加了一份未使用 inode 的列表，今后 fsck Ext4 文件系統(tǒng)就可以跳過它們而只去檢查那些在用的 inode 了。
8. 日志校驗。 日志是最常用的部分，也極易導(dǎo)致磁盤硬件故障，而從損壞的日志中恢復(fù)數(shù)據(jù)會導(dǎo)致更多的數(shù)據(jù)損壞。Ext4 的日志校驗功能可以很方便地判斷日志數(shù)據(jù)是否損壞，而且它將 Ext3 的兩階段日志機制合并成一個階段，在增加安全性的同時提高了性能。
9. “無日志”（No Journaling）模式。 日志總歸有一些開銷，Ext4 允許關(guān)閉日志，以便某些有特殊需求的用戶可以借此提升性能。
10. 在線碎片整理。 盡管延遲分配、多塊分配和 extents 能有效減少文件系統(tǒng)碎片，但碎片還是不可避免會產(chǎn)生。Ext4 支持在線碎片整理，并將提供 e4defrag 工具進行個別文件或整個文件系統(tǒng)的碎片整理。
11. inode 相關(guān)特性。 Ext4 支持更大的 inode，較之 Ext3 默認的 inode 大小 128 字節(jié)，Ext4 為了在 inode 中容納更多的擴展屬性（如納秒時間戳或 inode 版本），默認 inode 大小為 256 字節(jié)。Ext4 還支持快速擴展屬性（fast extended attributes）和 inode 保留（inodes reservation）。
12. 持久預(yù)分配（Persistent preallocation）。 P2P 軟件為了保證下載文件有足夠的空間存放，常常會預(yù)先創(chuàng)建一個與所下載文件大小相同的空文件，以免未來的數(shù)小時或數(shù)天之內(nèi)磁盤空間不足導(dǎo)致下載失敗。 Ext4 在文件系統(tǒng)層面實現(xiàn)了持久預(yù)分配并提供相應(yīng)的 API（libc 中的 posix_fallocate()），比應(yīng)用軟件自己實現(xiàn)更有效率。
13. 默認啟用 barrier。 磁盤上配有內(nèi)部緩存，以便重新調(diào)整批量數(shù)據(jù)的寫操作順序，優(yōu)化寫入性能，因此文件系統(tǒng)必須在日志數(shù)據(jù)寫入磁盤之后才能寫 commit 記錄，若 commit 記錄寫入在先，而日志有可能損壞，那么就會影響數(shù)據(jù)完整性。Ext4 默認啟用 barrier，只有當 barrier 之前的數(shù)據(jù)全部寫入磁盤，才能寫 barrier 之后的數(shù)據(jù)。（可通過 "mount -o barrier=0" 命令禁用該特性。）