Linux下常见文件系统的示例分析
这篇文章主要介绍了Linux下常见文件系统的示例分析，具有一定借鉴价值，感兴趣的朋友可以参考下，希望大家阅读完这篇文章之后大有收获，下面让小编带着大家一起了解一下。
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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 | ***文件名长度 | ***文件大小 | ***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 |
***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***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***文件和***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***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***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***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***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。
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