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 0 =====================>| +++++++++++++++++++++++++++ +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ | sb | block group table | block bitmap | inode bitmap | inode table | data blocks | +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ |<==================== group 1 (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 0: (Blocks 0-32767) Primary superblock at 0, Group descriptors at 1-7 Reserved GDT blocks at 8-1024 Block bitmap at 1025 (+1025), Inode bitmap at 1026 (+1026) Inode table at 1027-1538 (+1027) 31223 free blocks, 8181 free inodes, 2 directories Free blocks: 1545-32767 Free inodes: 12-8192 Group 1: (Blocks 32768-65535) Backup superblock at 32768, Group descriptors at 32769-32775 Reserved GDT blocks at 32776-33792 Block bitmap at 33793 (+1025), Inode bitmap at 33794 (+1026) Inode table at 33795-34306 (+1027) 31229 free blocks, 8192 free inodes, 0 directories Free blocks: 34307-65535 Free inodes: 8193-16384 Group 2: (Blocks 65536-98303) Block bitmap at 65536 (+0), Inode bitmap at 65537 (+1) Inode table at 65538-66049 (+2) 32254 free blocks, 8192 free inodes, 0 directories Free blocks: 66050-98303 Free inodes: 16385-24576 Group 3: (Blocks 98304-131071) Backup superblock at 98304, Group descriptors at 98305-98311 Reserved GDT blocks at 98312-99328 Block bitmap at 99329 (+1025), Inode bitmap at 99330 (+1026) Inode table at 99331-99842 (+1027) 31229 free blocks, 8192 free inodes, 0 directories Free blocks: 99843-131071 Free inodes: 24577-32768
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 0: (Blocks 0-32767) [ITABLE_ZEROED] Checksum 0xa9e7, unused inodes 8181 Primary superblock at 0, Group descriptors at 1-7 Reserved GDT blocks at 8-1024 Block bitmap at 1025 (+1025), Inode bitmap at 1041 (+1041) Inode table at 1057-1568 (+1057) 23513 free blocks, 8181 free inodes, 2 directories, 8181 unused inodes Free blocks: 9255-32767 Free inodes: 12-8192 Group 1: (Blocks 32768-65535) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0xd93e, unused inodes 8192 Backup superblock at 32768, Group descriptors at 32769-32775 Reserved GDT blocks at 32776-33792 Block bitmap at 1026, Inode bitmap at 1042 Inode table at 1569-2080 31743 free blocks, 8192 free inodes, 0 directories, 8192 unused inodes Free blocks: 33793-65535 Free inodes: 8193-16384 Group 2: (Blocks 65536-98303) [INODE_UNINIT, BLOCK_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0xcde2, unused inodes 8192 Block bitmap at 1027, Inode bitmap at 1043 Inode table at 2081-2592 32768 free blocks, 8192 free inodes, 0 directories, 8192 unused inodes Free blocks: 65536-98303 Free inodes: 16385-24576 Group 3: (Blocks 98304-131071) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0xafe0, unused inodes 8192 Backup superblock at 98304, Group descriptors at 98305-98311 Reserved GDT blocks at 98312-99328 Block bitmap at 1028, Inode bitmap at 1044 Inode table at 2593-3104 31743 free blocks, 8192 free inodes, 0 directories, 8192 unused inodes Free blocks: 99329-131071 Free inodes: 24577-32768
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