ext4文件系统特性浅析

ext4作为Linux下的文件系统因其简单性、易管理性、兼容性强等特定，深受大多数用户喜欢，并且作为大多数Linux发行版中的默认文件系统。但是随着现在文件数目的增多以及文件数据的增大，ext4文件系统显得力不从心， 虽然ext4添加了很多的新的特性， 比如extent、bigalloc等，但是比不上XFS等文件系统，目前RedHat中的默认文件系统更改为了XFS，XFS在目前大数据环境下表现性能优于ext4，原始的XFS是针对于高端计算机用户，当然其他优秀的文件系统Btrfs、ZFS正在不断开发和完善中。

在当前情况下，ext还是主流文件系统，下面介绍ext4文件系统特性。

1、ext4文件系统磁盘布局（disk layout）flex_group特性

原始的ext4文件系统的布局如下：

+++++++++++++++++++++++++++ +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
|   sb  |    block group table  |  block bitmap   |    inode bitmap  |  inode table |   data blocks |
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
|<====================                   group                      =====================>|
 
+++++++++++++++++++++++++++ +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
|   sb  |    block group table  |  block bitmap   |    inode bitmap  |  inode table |   data blocks |
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
|<====================                group  (sb和块组描述符备份)   =====================>|

其中上述的block bitmap 和inode bitmap开始的block位置为该组的block的开始位置之上增加。

下面是一个具体格式化后的原始的ext4的文件系统磁盘格式布局数据：

Group : (Blocks -)
  Primary superblock at , Group descriptors at -
  Reserved GDT blocks at -
  Block bitmap at  (+), Inode bitmap at  (+)
  Inode table at - (+)
   free blocks,  free inodes,  directories
  Free blocks: -
  Free inodes: -
Group : (Blocks -)
  Backup superblock at , Group descriptors at -
  Reserved GDT blocks at -
  Block bitmap at  (+), Inode bitmap at  (+)
  Inode table at - (+)
   free blocks,  free inodes,  directories
  Free blocks: -
  Free inodes: -
Group : (Blocks -)
  Block bitmap at  (+), Inode bitmap at  (+)
  Inode table at - (+)
   free blocks,  free inodes,  directories
  Free blocks: -
  Free inodes: -
Group : (Blocks -)
  Backup superblock at , Group descriptors at -
  Reserved GDT blocks at -
  Block bitmap at  (+), Inode bitmap at  (+)
  Inode table at - (+)
   free blocks,  free inodes,  directories
  Free blocks: -
  Free inodes: -

现在ext4引入了flex_group 特性， 也即是把多个块组合并，他们的inode bitmap和block bitmap、 inode table都放在第一个flex_group中的第一个group中，格式化后的数据如下：

Group : (Blocks -) [ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xa9e7, unused inodes
  Primary superblock at , Group descriptors at -
  Reserved GDT blocks at -
  Block bitmap at  (+), Inode bitmap at  (+)
  Inode table at - (+)
   free blocks,  free inodes,  directories,  unused inodes
  Free blocks: -
  Free inodes: -
Group : (Blocks -) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xd93e, unused inodes
  Backup superblock at , Group descriptors at -
  Reserved GDT blocks at -
  Block bitmap at , Inode bitmap at
  Inode table at -
   free blocks,  free inodes,  directories,  unused inodes
  Free blocks: -
  Free inodes: -
Group : (Blocks -) [INODE_UNINIT, BLOCK_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xcde2, unused inodes
  Block bitmap at , Inode bitmap at
  Inode table at -
   free blocks,  free inodes,  directories,  unused inodes
  Free blocks: -
  Free inodes: -
Group : (Blocks -) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xafe0, unused inodes
  Backup superblock at , Group descriptors at -
  Reserved GDT blocks at -
  Block bitmap at , Inode bitmap at
  Inode table at -
   free blocks,  free inodes,  directories,  unused inodes
  Free blocks: -
  Free inodes: -

引入flex_group特性的作用是为了支持更大的文件， 这样有利于大文件的数据块的分配，结合extent特性。

2、Bigalloc特性

      传统的ext4分配的最大的单位只能为4KB，块大小控制在4KB～512B之间，具体块大小在格式化的时候确定。因为Linux内存管理的限制， ext4文件系统不能处理大于4KB的文件系统块。但是对于一个文件系统中大部分文件都是大文件的情况，希望能够同时处理多个文件系统Block，减少文件系统中用于管理Block的开销。ext4中的新添加的特性Bigalloc特性可以很好的满足这个条件，在Bigalloc中，文件系统管理的单位叫做cluster，每个cluster是由原来的多个block组成，在原来的block bitmap中管理的大小由block变成cluster。

当然这个特性在小文件很多的情况下容易造成磁盘碎片很多，最后性能会骤然下降

3、Extent特性

在原来的ext4文件系统中进行逻辑块到物理块的转换采用的是inode中的blocks数组进行转换。在这种情况下，对于小文件，比如小于40KB（假设文件系统块大小为4KB）的文件，采用的是直接映射，这时ext4系统可以很快的处理，因为进行磁盘的IO次数变为两次（一次为读取文件inode，另外一次为读取对应的数据Block）；但当读取的文件的大小超过40KB时，这时需要采用间接块的处理，这时进行文件读取操作需要多次磁盘IO，因此在大文件，尤其是几个G以上的文件下ext4文件读取性能会下降很多。而且针对于文件的truncate操作和文件的删除操作，对于大文件而言需要进行的磁盘IO次数也明显增加，整个文件系统性能下降很多。

采用extent的特性，可以有效的减少对于文件块映射的开销。ext4中的管理extent的重要的数据结构如下：

/*
 * Each block (leaves and indexes), even inode-stored has header.
 */
struct ext4_extent_header {
    __le16    eh_magic;    /* probably will support different formats */
    __le16    eh_entries;    /* number of valid entries */
    __le16    eh_max;        /* capacity of store in entries */
    __le16    eh_depth;    /* has tree real underlying blocks? */
    __le32    eh_generation;    /* generation of the tree */
};

/*
 * This is index on-disk structure.
 * It's used at all the levels except the bottom.
 */
struct ext4_extent_idx {
    __le32    ei_block;    /* index covers logical blocks from 'block' */
    __le32    ei_leaf_lo;    /* pointer to the physical block of the next *
                 * level. leaf or next index could be there */
    __le16    ei_leaf_hi;    /* high 16 bits of physical block */
    __u16    ei_unused;
};

/*
 * This is the extent on-disk structure.
 * It's used at the bottom of the tree.
 */
struct ext4_extent {
    __le32    ee_block;    /* first logical block extent covers */
    __le16    ee_len;        /* number of blocks covered by extent */
    __le16    ee_start_hi;    /* high 16 bits of physical block */
    __le32    ee_start_lo;    /* low 32 bits of physical block */
};

如上述中的extent的数据结构描述，一个大的数据块只需要一个起始块，再加上一个长度，开销很小。而且对于删除而言，可以很快的删除。在ext4中整个extent的管理采用extent tree的方式，extent tree是采用B+-tree管理。

4、Inline data特性

    内联数据的特性，可以有效的减少磁盘次数，对于小文件的处理可以提高很大的性能。原始的ext4文件所有数据采用的都是blocks的map方式在逻辑块和物理块之间的转换，采用extent的方式进行处理对于小文件会造成很大的磁盘碎片，影响ext4整体的文件系统性能，这些小文件为包括字节数为几十个字节。

采用inline data的方式， 文件的数据放在inode的后面，此时的inode为扩的inode，需要进行扩大处理。

参考资料：

[1]  Ext4 disk layout.   https://ext4.wiki.kernel.org/index.php/Ext4_Disk_Layout#Inline_Data

[2]  Ext4 (and Ext2/Ext3) Wiki.   https://ext4.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page