Linux有好多種件系統(tǒng)，但往往最受關(guān)注的是其中兩種：ext4和btrfs。XFS開發(fā)者Dave Chinner近日聲稱，他認為更多的用戶應當考慮XFS。他談到了為了解決XFS中最嚴重的可擴展性問題所做的工作，還談到了他認為將來的發(fā)展走向。如果他說的一點都沒錯，接下來幾年我們在XFS方面有望看到更多的動靜。

XFS經(jīng)常被認為是適合擁有海量數(shù)據(jù)的用戶的文件系統(tǒng)。Dave表示，XFS非常適合扮演這個角色；它對許多工作負載而言向來表現(xiàn)不俗。以前往往問題出在元數(shù)據(jù)寫入方面；對生成大量元數(shù)據(jù)寫入操作的工作負載缺少有力的支持歷來是該文件系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。簡而言之，元數(shù)據(jù)寫入速度很慢，擴展性欠佳，甚至只能適用于單個處理器。

速度到底有多慢？Dave制作了幾張幻燈片，顯示XFS與ext4相比的fs-mark結(jié)果。哪怕在單個處理器上，XFS的表現(xiàn)也要差得多（速度只有ext4的一半）；如果線程數(shù)量多達8個，情況完全變得更糟；但線程數(shù)量超過8個后，ext4也遇到了瓶頸，速度慢下來。就元數(shù)據(jù)頻繁變化的輸入/輸出密集型工作負載（解開tarball文件就是個例子）而言，Dave表示ext4的速度可能比XFS快20倍至50倍。速度這么慢足以表明XFS確實存在嚴重問題。

延遲的日志

結(jié)果表明問題其實出在日志的輸入/輸出上。針對元數(shù)據(jù)的變化，XFS會生成大量的日志流量。在最糟糕的情況下，幾乎所有的實際輸入/輸出流量都用于日志——而不是用于用戶試圖想要寫入的數(shù)據(jù)。多年來人們試圖采用多種辦法來解決這個問題，比如對算法進行重大改變，另外進行許多重大的優(yōu)化和調(diào)整。不需要的一點是任何一種磁盤上格式變化，不過這在將來可能由于其他原因而在籌劃之中。

元數(shù)據(jù)密集型的工作負載最后可能會在很短的時間內(nèi)多次改變同一個目錄塊；那些改變每一次都會生成一個記錄，記錄必須寫入到日志中。這正是導致巨大日志流量的根源。解決這個問題的辦法從概念上來說很簡單：延遲日志更新，并且將針對同一目錄塊的變更合并到一個條目中。這些年來，以一種可擴展的方式實際落實這個概念頗費周折，但是現(xiàn)在取得了進展；延遲的日志（delayed logging）將是3.3內(nèi)核中唯一得到支持的XFS日志模式。

實際的延遲日志技術(shù)主要由ext3文件系統(tǒng)借鑒而來。由于這種算法已知切實可行，證明它同樣適用于XFS所需的時間則短得多。除了性能上的優(yōu)點外，這一變化最終促使代碼數(shù)量減少。有誰想詳細了解其工作原理，應該會在內(nèi)核文檔樹中的filesystems/xfs-delayed-logging.txt找到所需內(nèi)容。

延遲日志是一大變化，但絕不是唯一的變化。日志空間預留快速路徑是XFS中非常熱門的路徑；現(xiàn)在它是無鎖的，不過慢速路徑現(xiàn)階段仍需要全局鎖。異步元數(shù)據(jù)寫回代碼形成了非常分散的輸入/輸出，結(jié)果大幅降低了性能。現(xiàn)在，元數(shù)據(jù)寫回在寫出之前已被延遲和分類。用Dave的話來說，這意味著文件系統(tǒng)在做輸入/輸出調(diào)度程序的工作。但是輸入/輸出調(diào)度程序處理的請求序列通常限制在128個條目，而XFS的延遲元數(shù)據(jù)寫回序列可以有數(shù)千個條目，所以有必要在輸入/輸出提交之前在文件系統(tǒng)中完成分類操作。“活動日志項”（Active log item）這種機制可以累計變化，并批量運用變化，以此改進（龐大的）分類日志項列表的性能。元數(shù)據(jù)緩存也被移到了頁面緩存器的外面，頁面緩存器往往會在不合適的時間收回頁面。等等。

諸文件系統(tǒng)相比如何？

那么，現(xiàn)在XFS的擴展性如何？如果是一兩個線程，XFS的速度仍比ext4慢一點，但是它可以線性擴展，支持多達8個線程，而ext4的情況比較糟，btrfs的情況要糟得多。對XFS來說擴展性方面的局限性如今出現(xiàn)在虛擬文件系統(tǒng)層核心中的鎖定上，根本不是出現(xiàn)在針對特定文件系統(tǒng)的代碼上。現(xiàn)在即使對一個線程來說，目錄遍歷速度也更快，對8個線程來說，速度快得多。他表示，這些并不是btrfs開發(fā)人員可能展示給人的那種結(jié)果。

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現(xiàn)在空間分配方面的可擴展性要比ext4快“幾個數(shù)量級”。這是由于3.2內(nèi)核中添加了“bigalloc”特性而引起的變化，如果使用了足夠大的塊，這項特性可以將ext4在空間分配方面的可擴展性提高兩個數(shù)量級。遺憾的是，該特性還將小文件的空間使用量增加了同樣數(shù)量，以至于需要160GB來存放內(nèi)核樹。bigalloc并不是很適合ext4的另外一些選項，而且需要管理員回答復雜的配置問題；在創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，管理員必須考慮文件系統(tǒng)在整個使用壽命期間將如何使用。Dave表示，ext4存在架構(gòu)方面的不足——尤其是使用位圖來用于跟蹤空間，這是上世紀80年代的文件系統(tǒng)存在的典型問題。它根本無法擴展，成為真正超大的文件系統(tǒng)。

btrfs中的空間分配甚至比ext4還要來得慢。Dave表示，問題主要出在閑置空間緩存的走查，目前這是處理器密集型的操作。這不是btrfs中的架構(gòu)問題，所以它應該有望得到解決，但需要做一番優(yōu)化工作。

Linux文件系統(tǒng)的未來

這方面有何進展？現(xiàn)階段，XFS中的元數(shù)據(jù)性能和可擴展性可以被認為是已得到解決的問題?，F(xiàn)在性能瓶頸出現(xiàn)在虛擬文件系統(tǒng)（VFS）層，所以需要在這方面開展下一輪工作。但是未來面臨的一大挑戰(zhàn)在于可靠性方面；這可能需要XFS文件系統(tǒng)作出一些相當大的變化。

可靠性不僅僅是不丟失數(shù)據(jù)這么簡單——但愿XFS在這方面已經(jīng)做得很到位，這在將來其實是個可擴展性問題。讓數(shù)千兆兆字節(jié)（PT）的文件系統(tǒng)下線、運行一款文件系統(tǒng)檢查和修復工具，這根本不切實際；將來，這項工作其實需要在線進行。這就需要把成熟可靠的故障檢測機制融入到文件系統(tǒng)當中，以便可以實時驗證元數(shù)據(jù)正確無誤。其他一些文件系統(tǒng)也在實施驗證數(shù)據(jù)的機制，但是這似乎超出了XFS的范圍。Dave表示，數(shù)據(jù)驗證工作最好是在存儲陣列層面或應用程序?qū)用嫱瓿伞?/p>

“元數(shù)據(jù)驗證”意味著，讓元數(shù)據(jù)自我描述，保護文件系統(tǒng)，防范被存儲層指錯方向的寫入。添加校驗和技術(shù)還不夠——核驗和只能證明現(xiàn)有的是被寫入的。以適當方式自我描述的元數(shù)據(jù)能夠檢測寫入到錯誤地方的塊，并且?guī)椭匦陆M裝完全壞掉的文件系統(tǒng)。它還能防止“"reiserfs問題”，即文件系統(tǒng)的修復工具被過時的元數(shù)據(jù)或存儲在待修復的文件系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)映像里面的元數(shù)據(jù)搞糊涂。

讓元數(shù)據(jù)可以自我描述需要作出許多變化。每個元數(shù)據(jù)塊將包含文件系統(tǒng)的UUID；每個塊中還有塊和索引節(jié)點（inode）的編號，那樣文件系統(tǒng)就能驗證元數(shù)據(jù)來自預期的地方。將來會有檢驗和機制，用來檢測受到損壞的元數(shù)據(jù)塊，還會有所有者標識符，用來將元數(shù)據(jù)與歸屬的索引節(jié)點或目錄關(guān)聯(lián)起來。反向映射分配樹將讓文件系統(tǒng)可以迅速確認任何某個塊屬于哪個文件。

不用說，目前的XFS磁盤上格式并不提供存儲所有這些額外數(shù)據(jù)的機制。這意味著磁盤上格式會有變化。據(jù)Dave聲稱，不打算提供任何形式的向前或向后格式兼容；格式變化將是真正重大的變化。開展這項工作是為了便于完全自由地設(shè)計一種長期服務(wù)于XFS用戶的新格式。雖然正在改變格式來添加上述的可靠性功能，但是開發(fā)人員也會為目錄結(jié)構(gòu)中的d_type、NFSv4版本計數(shù)器、索引節(jié)點創(chuàng)建時間以及可能更多對象添加空間。最大的目錄大小（目前只有區(qū)區(qū)32GB）也會得到提高。

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這一切將帶來許多優(yōu)點：主動檢測文件系統(tǒng)受損情況、定位和更換缺乏聯(lián)系的塊以及更好的在線文件系統(tǒng)修復。Dave表示，這意味著在將來很長一段時間，對Linux環(huán)境下的大數(shù)據(jù)應用程序而言，XFS仍將是最出色的文件系統(tǒng)。

從btrfs的角度來看，這一切又意味著什么呢？Dave表示，btrfs顯然不是針對處理元數(shù)據(jù)密集型工作負載的文件系統(tǒng)而優(yōu)化；有一些嚴重的可擴展性問題成為了攔路虎。對于處于早期開發(fā)階段的一款文件系統(tǒng)來說，這完全在意料之中。其中一些問題需要借以時日才能克服，但可能存在這種情況：其中一些問題可能無法得到解決。另一方面，btrfs中的可靠性功能開發(fā)得很完善，這款文件系統(tǒng)完全能夠提供在接下來幾年預期的存儲功能。

而ext4存在架構(gòu)可擴展性問題。據(jù)Dave的結(jié)果顯示，它不再是速度最快的文件系統(tǒng)。有幾個方案可用來改進可靠性，其磁盤上格式顯露了老態(tài)。ext4支持在不遠將來的存儲需求有難度。

考慮到這點，Dave在最后拋出了一個問題。由于其豐富功能，btrfs不日將取代ext4，成為許多Linux發(fā)行版中的默認文件系統(tǒng)。與此同時，ext4在處理大多數(shù)工作負載方面性能不如XFS，包括它在傳統(tǒng)上表現(xiàn)更強勁的應用領(lǐng)域。一些可擴展性問題甚至出現(xiàn)在了更小的服務(wù)器系統(tǒng)上。“匯聚半完成的項目”并不總是能取得很好的效果；Dave表示，ext4并不如人們想象的那么穩(wěn)定或久經(jīng)測試。于是他問道：為什么我們?nèi)孕枰猠xt4？

有人可能認為，ext4開發(fā)人員會想出很好的辦法來回答這個問題，但是目前還沒有人回答得了。