高级文件系统实现者指南，第 8 部分

高级文件系统实现者指南，第 8 部分 ext3 中的惊喜

文档选项 将此页作为电子邮件发送 级别： 初级 Daniel Robbins ( [email protected]), 总裁/ CEO, Gentoo Technologies, Inc. 2001 年 12 月 01 日 随着 Linux 发行版 2.4 的出现，带来了许多新的文件系统的可能性，包括 Reiserfs、XFS、GFS 等等。这些文件系统听上去很酷，但它们究竟能做什么、擅长哪些方面，以及您究竟如何在 Linux 生产环境中安全地使用它们？Daniel Robbins 通过向您展现如何在 Linux 2.4 下设置这些新的高级文件系统来解答这些问题。在这一部分中，Daniel 继续着眼于 ext3，这是带有日志记录能力的 ext2 的一种新改进的版本。他揭示了 ext3 的所有内在信息，并演示了 ext3 data=journal 某些极其出色的的交互式性能测试数据。 我实话实说。我本来计划用这篇文章向您展示如何在系统上设置和运行 ext3。尽管我这么说，但我并不打算这么做。Andrew Morton 那个很棒的“在 2.4 内核中使用 ext3 文件系统”页面（请参阅本文后面的 参考资料）已经很好地解释了如何在系统上启用 ext3，因此我没必要在这里重复所有基本概念。而是深入钻研某些更耐人寻味的 ext3 主题，我认为您会发现这些主题非常有用。阅读了这篇文章后，当您准备设置和运行 ext3 时，请参考 Andrew 的页面。 2.4 内核更新 首先，让我们从 2.4 内核更新开始。我在介绍 ReiserFS 时最后讨论到 2.4 内核稳定性。在那个时候，要找到一个稳定的 2.4 内核是个难题，我建议坚持使用已知的内核（那时最前沿的是 2.4.4-ac9 内核）�D 特别对于计划在生产环境中使用 ReiserFS 文件系统的那些人。您可能猜到，自从 2.4.4-ac9 以来发生了许多事，而现在无疑是着眼于更新的内核的时候了。 随着内核 2.4.10 的出现，在性能和可伸缩性方面，2.4 系列达到了新的层次（这是我们盼望已久的）。那么，是什么碰巧让 Linux 2.4 最终成长起来的呢？用首字母缩写词表示，就是 VM。在认识到 2.4 系列表现不是非常出色后，Linus 去除了 Linux 有问题的 VM 代码，并用 Andrea Archangeli 开发的简单而普通的 VM 实现来替代。Andrea 的新 VM 实现（最先出现在 2.4.10 中）非常了不起；它真正提高了内核速度，并使整个系统反应更迅速。2.4.10 绝对是 2.4 Linux 内核开发中一个主要的转折点；到那时为止，事物还不是非常完美，我们当中有许多人都奇怪为什么自己不是 FreeBSD 开发人员。我们都应该感谢 Linus 在 2.4 稳定内核系列中所做的这些主要（但迫切需要）的更改。这的确是一件了不起的事。 因为 Andrea 的新 VM 代码需要一些时间才能与内核其余部分达到无缝集成，所以使用 2.4.13+。使用 2.4.16+ 会更好，因为稳固的 ext3 文件系统代码最终是集成到从 2.4.15-pre2 发行版开始的正式 Linus 内核中的。没有理由避免使用 2.4.16+ 内核，它能使设置和运行 ext3 的工作更为轻松。如果确实使用 2.4.16+ 内核，记住不再需要象 Andrew 的页面上所描述的那样应用 ext3 补丁了（请参阅 参考资料）。Linus 已经为您添加了它 :) 您会注意到我建议使用 2.4.16+ 而非 2.4.15+，这是有充分理由的。随着内核 2.4.15-pre9 的发行，给内核引入一个非常讨厌的文件系统崩溃错误。直到 2.4.16-pre1 才发现并解决了这个问题，导致人们应该不计任何代价地避免使用这两个发行版之间的内核（包括 2.4.15）。选择 2.4.16+ 内核可以让您完全避免这个错误的批处理。 回页首 膝上电脑……小心？ Ext3 是一种稳固的文件系统，这个好名声由来已久，因此我在知道有相当多的膝上电脑用户在切换到 ext3 时有文件系统崩溃问题时很诧异。一般来说，对这些类型的报告做出的反映往往是完全避免使用 ext3；不过，在到处打听之后，我发现人们所遇到的磁盘崩溃问题与 ext3 本身并没有关系，而是由某些膝上电脑硬盘所引起的。 写高速缓存 您可能不知道，但大多数新式硬盘有一个称为“写高速缓存”的东西，硬盘使用它来收集暂时被挂起的写操作。通过将暂挂的写操作放到高速缓存中，硬盘固件就可以重新为它们排序，并为它们分组，以便用尽可能最快的方式将它们写到磁盘中。通常认为写高速缓存是个非常好的事物（请阅读 参考资料中 Linus 对写高速缓存的解释和看法）。 不幸的是，现在市场上某些膝上电脑的硬盘具有这样一种不可靠的特性，即忽略将它们的写高速缓存刷新到磁盘上的所有正式 ATA 请求。虽然直到最近 ATA 规范 还允许这种做法，但这并不是一种完美的设计特性。使用这些类型的驱动器，内核无法保证某一特定块实际上是否被记录到磁盘上。尽管听上去这是个棘手的问题，但这个特定问题本身可能不是人们所遇到的数据毁坏问题的原因。 不过，情况越来越差。一些新式膝上电脑的硬盘有一个更令人讨厌的习惯：每当重新引导或暂挂系统，就 丢弃它们的写高速缓存。很明显，如果硬盘有这两个问题，就会定期破坏数据，而 Linux 对于防止这种情况束手无策。 那么，解决方案是什么呢？如果您有膝上电脑，请小心使用。在对文件系统执行任何重大更改之前备份所有重要文件。如果遇到似乎符合上面我所描述的模式的数据毁坏问题，特别在使用 ext3 时，记住这可能是您膝上电脑硬盘的错。在这种情况下，您需要与膝上电脑制造商联系，并询问更换驱动器事宜。希望在几个月后，这些脆弱的硬盘将从市场上消失，我们就再也不必担心这个问题了。 既然我已经警告过您要小心，就让我们看看 ext3 的各种数据日志记录选项。 回页首 日志记录选项和写等待时间 在安装文件系统时，Ext3 允许您从三种数据日志记录方式中选择一个： data=writeback 、 data=ordered 和 data=journal 。 要指定日志方式，可以向 /etc/fstab 的选项节添加适当的字符串（例如 data=journal ），也可以在调用 mount 时直接指定 -o data=journal 命令行选项。如果您愿意指定用于根文件系统的数据日志记录方法（ data=ordered 是缺省值），则可以使用名为 rootflags 的特殊内核引导选项。因此，如果愿意将根文件系统置于完整数据日志记录方式下，则向内核引导选项添加 rootflags=data=journal 。 data=writeback 方式 处于 data=writeback 方式下，ext3 根本不执行任何形式的数据日志记录，提供给您的是和在 XFS、JFS 和 ReiserFS 文件系统中找到的类似的日志记录（仅元数据）。正如我在 前一篇文章中讲到过，这会让最近修改的文件在出现意外的重新引导事件中被毁坏。如果不考虑这个缺点， data=writeback 方式在大多数情况下应该能够为您提供最佳的 ext3 性能。 data=ordered 方式 处于 data=ordered 方式下，ext3 只是正式记录元数据，而在逻辑上将元数据和数据块分组到称为事务的单个单元中。到了将新的元数据写到磁盘上的时候， 首先写的是相关的数据块。 data=ordered 方式有效地解决了在 data=writeback 方式 下和大多数其它日志记录文件系统中发现的毁坏问题，而这是在不需要完整数据日志记录的情况下做到的。一般说来， data=ordered ext3 文件系统执行的速度比 data=writeback 文件系统执行的速度稍微慢一些，但比对应的完整数据日志记录还是要快出许多。 将数据 附加到文件时， data=ordered 方式提供了 ext3 完整数据日志记录方式提供的所有完整性保证。不过，如果正在 覆盖某一部分文件，而此时系统崩溃，那么有可能所写的区将包含原始块和在其中散布了更新块的组合。这是因为 data=ordered 不提供首先覆盖哪一个数据块的保证，因此不能假设只是因为更新了被覆盖的块 x，也就更新了被覆盖的块 x-1。 data=ordered 让写操作顺序由硬盘的写高速缓存决定。一般说来，这个限制并不经常对人们具有负面影响，因为附加的文件一般比覆盖的文件更普遍。出于这个原因， data=ordered 方式是对完整数据日志记录的一个很好的更高性能的替代。 data=journal 方式 data=journal 方式提供了完整数据和元数据日志记录。所有新数据首先写入日志，然后再写入它的最终位置。在崩溃情况下，可以重放日志，使数据和元数据处于一致的状态。 从理论上说， data=journal 方式是所有日志记录方式中最慢的，因为要将数据写入磁盘两次而不是一次。不过，在某些情况下， data=journal 方式也可以是极快的。Andrew Morton 在听取了有关 LKML 的报告（ext3 data=journal 文件系统为人们提供了难以置信的出色的交互式文件系统性能）后，决定组合出一个小测试。首先，他创建了一个简单的 shell 脚本，该脚本设计用来将数据尽快写入测试文件系统： 快速写 while true do dd if=/dev/zero of=largefile bs=16384 count=131072 done 在将数据写入测试文件系统的同时，他尝试从 位于同一磁盘上的另一个 ext2 文件系统中读取 16Mb 的数据，并对此进行计时： 读取 16Mb 的文件 time cat 16-meg-file > /dev/null 结果让人惊奇。 data=journal 方式允许 16 兆文件以比其它 ext3 方式、ReiserFS，甚至 ext2（没有日志记录开销）高出 9 到 13 倍的速度读取： 写入文件系统 16 兆读取时间（秒） ext2 78 ReiserFS 67 ext3 data=ordered 93 ext3 data=writeback 74 ext3 data=journal 7 Andrew 重复这个测试，但尝试从测试文件系统（而不是从其它文件系统）读取 16Mb 的文件，获得的结果是相同的。那么，这意味着什么呢？不知什么原因，ext3 的 data=journal 方式非常适合于需要同时从磁盘读写数据的情况。 因此，ext3 的 data=journal 方式（被认为在几乎所有情况中是所有 ext3 方式中最慢的）实际上证明在需要最大化交互式 IO 性能的繁忙环境中具有重要的性能优势。可能 data=journal 方式毕竟没那么缓慢！ Andrew 仍然在尝试发现究竟为什么 data=journal 方式比其它方式好这么多。在这样做的同时，他也许能够对 ext3 的另外两种方式做必要调整，以便也能看到 data=writeback 和 data=ordered 方式的好处。 回页首 对 data=journal 的调整 有些人在繁忙的服务器上 �D 特别是在繁忙的 NFS 服务器上 �D 使用 ext3 的 data=journal 方式时曾经碰到一个特殊的性能问题。每隔 30 秒，服务器就会遇到磁盘写活动高峰，导致系统几乎陷于停顿。如果您遇到这个问题，修复它很容易。只要以 root 用户输入以下命令，就可以调整 Linux“脏”缓冲区刷新算法： 调整 bdflush echo 40 0 0 0 60 300 60 0 0 > /proc/sys/vm/bdflush 这些新的 bdflush 设置将导致 kupdate 每隔 0.6 秒而不是每隔 5 秒运行。另外，它们告诉内核每隔 3 秒而不是 30 秒（缺省值）刷新“脏”缓冲区。通过更有规律地将最近修改的数据刷新到磁盘，可以避免这些写操作的高峰。以这种方式执行的效率比较低，因为内核不太有机会组合写操作。但对于繁忙的服务器，写操作将更一致地进行，并将极大地改进交互式性能。 回页首 结束语 现在，我们已经结束了 ext3 的报道。敬请期待我的下一篇文章，因为我们将要研究……XFS 的许多奇妙之处！ 参考资料 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文. 请阅读 Daniel 在 developerWorks 上文件系统系列中以前的文章，其中描述了： 日志记录和 ReiserFS 的好处（第 1 部分） 安装 ReiserFS 系统（第 2 部分） 使用 tmpfs 虚拟内存文件系统和绑定安装（第 3 部分） 设备管理文件系统 devfs 的好处（第 4 部分） 开始到 devfs 的转换（第 5 部分） 使用 init 封装器完成到 devfs 的转换（第 6 部分） ext3 文件系统的好处（第 7 部分） 请访问 Andrew Morton 的 ext3 和 2.4 用法页面来完成 ext3 的设置。 可以在 Andrew Morton 的 ext3 for 2.4 页面上找到有关使用 ext3 和 2.4 内核的详细信息。 通过阅读 内核通信量的总结来了解有关奇怪的膝上电脑硬盘崩溃问题的详细信息。 阅读 Linus 对于写高速缓存的解释和想法。 阅读 Stephen Tweedie 博士的 Ext3, Journaling Filesystem 介绍的 完整版，它在 2000 年 7 月的 渥太华 Linux 座谈会上引起注意。 要与最新的 ext3 开发同步，请务必访问 ext3 用户邮件列表档案。当然，您也可以 订阅。 浏览 developerWorks上的 更多 Linux 参考资料。 浏览 developerWorks上的 更多开放源码参考资料。 关于作者 Daniel Robbins 居住在美国新墨西哥州的阿尔布克尔克（Albuquerque），他是 Gentoo Technologies, Inc. 的总裁兼 CEO、 Gentoo Linux（用于 PC 的高级 Linux）的创始人，以及 Portage 系统（Linux 的下一代移植系统）的创始人。他还是 Macmillan 出版的几本书 Caldera OpenLinux Unleashed、 SuSE Linux Unleashed 和 Samba Unleashed 的投稿人。自小学二年级起就和计算机结下不解之缘，那时他第一次接触 Logo 编程语言，并沉溺于 Pac-Man 游戏中。这也许就是为什么至今他仍担任 SONY Electronic Publishing/Psygnosis 的“首席图形设计师”的原因所在。 Daniel 喜欢与妻子 Mary 和他们的女儿 Hadassah 一起共度时光。可以通过 [email protected] 与 Daniel 联系。