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5f49c56140
@ -1,34 +1,33 @@
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理解 Linux 文件系统：ext4 等文件系统
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> 了解 ext4 的历史，包括其与 ext3 和之前的其它文件系统之间的区别。
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目前的大部分 Linux 文件系统都默认采用 ext4 文件系统, 正如以前的 Linux 发行版默认使用 ext3、ext2 以及更久前的 ext。
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目前的大部分 Linux 文件系统都默认采用 ext4 文件系统，正如以前的 Linux 发行版默认使用 ext3、ext2 以及更久前的 ext。
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对于不熟悉 Linux 或文件系统的朋友而言，你可能不清楚 ext4 相对于上一版本 ext3 带来了什么变化。你可能还想知道在一连串关于替代的文件系统例如 btrfs、xfs 和 zfs 不断被发布的情况下，ext4 是否仍然能得到进一步的发展。
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在一篇文章中，我们不可能讲述文件系统的所有方面，但我们尝试让您尽快了解 Linux 默认文件系统的发展历史，包括它的产生以及未来发展。我仔细研究了维基百科里的各种关于 ext 文件系统文章、kernel.org 的 wiki 中关于 ext4 的条目以及结合自己的经验写下这篇文章。
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在一篇文章中，我们不可能讲述文件系统的所有方面，但我们尝试让你尽快了解 Linux 默认文件系统的发展历史，包括它的产生以及未来发展。我仔细研究了维基百科里的各种关于 ext 文件系统文章、kernel.org 的 wiki 中关于 ext4 的条目以及结合自己的经验写下这篇文章。
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### ext 简史
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#### MINIX 文件系统
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在有 ext 之前, 使用的是 MINIX 文件系统。如果你不熟悉 Linux 历史, 那么可以理解为 MINIX 是用于 IBM PC/AT 微型计算机的一个非常小的类 Unix 系统。Andrew Tannenbaum 为了教学的目的而开发了它，并于 1987 年发布了源代码（以印刷版的格式！）。
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在有 ext 之前，使用的是 MINIX 文件系统。如果你不熟悉 Linux 历史，那么可以理解为 MINIX 是用于 IBM PC/AT 微型计算机的一个非常小的类 Unix 系统。Andrew Tannenbaum 为了教学的目的而开发了它，并于 1987 年发布了源代码（以印刷版的格式！）。
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*IBM 1980 中期的 PC/AT，[MBlairMartin](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IBM_PC_AT.jpg)，[CC BY-SA 4.0](https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)*
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虽然你可以细读 MINIX 的源代码，但实际上它并不是自由开源软件（FOSS）。出版 Tannebaum 著作的出版商要求你花 69 美元的许可费来运行 MINIX，而这笔费用包含在书籍的费用中。尽管如此，在那时来说非常便宜，并且 MINIX 的使用得到迅速发展，很快超过了 Tannebaum 当初使用它来教授操作系统编码的意图。在整个 20 世纪 90 年代，你可以发现 MINIX 的安装在世界各个大学里面非常流行。而此时，年轻的 Lius Torvalds 使用 MINIX 来开发原始 Linux 内核，并于 1991 年首次公布。而后在 1992 年 12 月在 GPL 开源协议下发布。
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虽然你可以细读 MINIX 的源代码，但实际上它并不是自由开源软件（FOSS）。出版 Tannebaum 著作的出版商要求你花 69 美元的许可费来运行 MINIX，而这笔费用包含在书籍的费用中。尽管如此，在那时来说非常便宜，并且 MINIX 的使用得到迅速发展，很快超过了 Tannebaum 当初使用它来教授操作系统编码的意图。在整个 20 世纪 90 年代，你可以发现 MINIX 的安装在世界各个大学里面非常流行。而此时，年轻的 Linus Torvalds 使用 MINIX 来开发原始 Linux 内核，并于 1991 年首次公布。而后在 1992 年 12 月在 GPL 开源协议下发布。
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但是等等，这是一篇以 *文件系统* 为主题的文章不是吗？是的，MINIX 有自己的文件系统，早期的 Linux 版本依赖于它。跟 MINIX 一样，Linux 的文件系统也如同玩具那般小 —— MINIX 文件系统最多能处理 14 个字符的文件名，并且只能处理 64MB 的存储空间。到了 1991 年，一般的硬盘尺寸已经达到了 40-140MB。很显然，Linux 需要一个更好的文件系统。
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#### ext
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当 Linus 开发出刚起步的 Linux 内核时，Rémy Card 从事第一代的 ext 文件系统的开发工作。 ext 文件系统在 1992 首次实现并发布 —— 仅在 Linux 首次发布后的一年! —— ext 解决了 MINIX 文件系统中最糟糕的问题。
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当 Linus 开发出刚起步的 Linux 内核时，Rémy Card 从事第一代的 ext 文件系统的开发工作。ext 文件系统在 1992 首次实现并发布 —— 仅在 Linux 首次发布后的一年！—— ext 解决了 MINIX 文件系统中最糟糕的问题。
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1992 年的 ext 使用在 Linux 内核中的新虚拟文件系统（VFS）抽象层。与之前的 MINIX 文件系统不同的是，ext 可以处理高达 2GB 存储空间并处理 255 个字符的文件名。
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@ -38,7 +37,7 @@
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Rémy 很快就意识到 ext 的局限性，所以一年后他设计出 ext2 替代它。当 ext 仍然根植于 “玩具” 操作系统时，ext2 从一开始就被设计为一个商业级文件系统，沿用 BSD 的 Berkeley 文件系统的设计原理。
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Ext2 提供了 GB 级别的最大文件大小和 TB 级别的文件系统大小，使其在 20 世纪 90 年代的地位牢牢巩固在文件系统大联盟中。很快它被广泛地使用，无论是在 Linux 内核中还是最终在 MINIX 中，且利用第三方模块可以使其应用于 MacOS 和 Windows。
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ext2 提供了 GB 级别的最大文件大小和 TB 级别的文件系统大小，使其在 20 世纪 90 年代的地位牢牢巩固在文件系统大联盟中。很快它被广泛地使用，无论是在 Linux 内核中还是最终在 MINIX 中，且利用第三方模块可以使其应用于 MacOS 和 Windows。
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但这里仍然有一些问题需要解决：ext2 文件系统与 20 世纪 90 年代的大多数文件系统一样，如果在将数据写入到磁盘的时候，系统发生崩溃或断电，则容易发生灾难性的数据损坏。随着时间的推移，由于碎片（单个文件存储在多个位置，物理上其分散在旋转的磁盘上），它们也遭受了严重的性能损失。
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@ -46,15 +45,15 @@ Ext2 提供了 GB 级别的最大文件大小和 TB 级别的文件系统大小
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#### ext3
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1998 年, 在 ext2 被采用后的 6 年后，Stephen Tweedie 宣布他正在致力于改进 ext2。这成了 ext3，并于 2001 年 11 月在 2.4.15 内核版本中被采用到 Linux 内核主线中。
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1998 年，在 ext2 被采用后的 6 年后，Stephen Tweedie 宣布他正在致力于改进 ext2。这成了 ext3，并于 2001 年 11 月在 2.4.15 内核版本中被采用到 Linux 内核主线中。
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![Packard Bell 计算机][2]
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*20 世纪 90 年代中期的 Packard Bell 计算机，[Spacekid][3]，[CC0][4]*
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在大部分情况下，Ext2 在 Linux 发行版中工作得很好，但像 FAT、FAT32、HFS 和当时的其他文件系统一样 —— 在断电时容易发生灾难性的破坏。如果在将数据写入文件系统时候发生断电，则可能会将其留在所谓*不一致*的状态 —— 事情只完成一半而另一半未完成。这可能导致大量文件丢失或损坏，这些文件与正在保存的文件无关甚至导致整个文件系统无法卸载。
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在大部分情况下，ext2 在 Linux 发行版中工作得很好，但像 FAT、FAT32、HFS 和当时的其他文件系统一样 —— 在断电时容易发生灾难性的破坏。如果在将数据写入文件系统时候发生断电，则可能会将其留在所谓 *不一致* 的状态 —— 事情只完成一半而另一半未完成。这可能导致大量文件丢失或损坏，这些文件与正在保存的文件无关甚至导致整个文件系统无法卸载。
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Ext3 和 20 世纪 90 年代后期的其他文件系统，如微软的 NTFS ，使用*日志*来解决这个问题。日志是磁盘上的一种特殊的分配区域，其写入被存储在事务中；如果该事务完成磁盘写入，则日志中的数据将提交给文件系统自身。如果系统在该操作提交前崩溃，则重新启动的系统识别其为未完成的事务而将其进行回滚，就像从未发生过一样。这意味着正在处理的文件可能依然会丢失，但文件系统*本身*保持一致，且其他所有数据都是安全的。
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ext3 和 20 世纪 90 年代后期的其他文件系统，如微软的 NTFS，使用 *日志* 来解决这个问题。日志是磁盘上的一种特殊的分配区域，其写入被存储在事务中；如果该事务完成磁盘写入，则日志中的数据将提交给文件系统自身。如果系统在该操作提交前崩溃，则重新启动的系统识别其为未完成的事务而将其进行回滚，就像从未发生过一样。这意味着正在处理的文件可能依然会丢失，但文件系统 *本身* 保持一致，且其他所有数据都是安全的。
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在使用 ext3 文件系统的 Linux 内核中实现了三个级别的日志记录方式：<ruby>日记<rt>journal</rt></ruby>、<ruby>顺序<rt>ordered</rt></ruby>和<ruby>回写<rt>writeback</rt></ruby>。
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@ -66,15 +65,15 @@ Ext3 和 20 世纪 90 年代后期的其他文件系统，如微软的 NTFS ，
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#### ext4
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Theodore Ts'o (是当时 ext3 主要开发人员) 在 2006 年发表的 ext4 ,于两年后在 2.6.28 内核版本中被加入到了 Linux 主线。
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Theodore Ts'o（是当时 ext3 主要开发人员）在 2006 年发表的 ext4，于两年后在 2.6.28 内核版本中被加入到了 Linux 主线。
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Ts’o 将 ext4 描述为一个显著扩展 ext3 但仍然依赖于旧技术的临时技术。他预计 ext4 终将会被真正的下一代文件系统所取代。
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Ts'o 将 ext4 描述为一个显著扩展 ext3 但仍然依赖于旧技术的临时技术。他预计 ext4 终将会被真正的下一代文件系统所取代。
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*Dell Precision 380 工作站，[Lance Fisher](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dell_Precision_380_Workstation.jpeg)，[CC BY-SA 2.0](https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/deed.en)*
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Ext4 在功能上与 Ext3 在功能上非常相似，但支持大文件系统、提高了对碎片的抵抗力，有更高的性能以及更好的时间戳。
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ext4 在功能上与 ext3 在功能上非常相似，但支持大文件系统、提高了对碎片的抵抗力，有更高的性能以及更好的时间戳。
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### ext4 vs ext3
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@ -118,7 +117,7 @@ ext3 为每一个新分配的块调用一次块分配器。当多个写入同时
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fd=open("file", O_TRUNC); write(fd, data); close(fd);
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使用旧的文件系统, `close(fd);` 足以保证 `file` 中的内容刷新到磁盘。即使严格来说，写不是事务性的，但如果文件关闭后发生崩溃，则丢失数据的风险很小。
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使用旧的文件系统，`close(fd);` 足以保证 `file` 中的内容刷新到磁盘。即使严格来说，写不是事务性的，但如果文件关闭后发生崩溃，则丢失数据的风险很小。
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如果写入不成功（由于程序上的错误、磁盘上的错误、断电等），文件的原始版本和较新版本都可能丢失数据或损坏。如果其他进程在写入文件时访问文件，则会看到损坏的版本。如果其他进程打开文件并且不希望其内容发生更改 —— 例如，映射到多个正在运行的程序的共享库。这些进程可能会崩溃。
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@ -180,15 +179,15 @@ ext4，正如 Monty Python 中瘟疫感染者曾经说过的那样，“我还
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#### 大分配块
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随着时间的推移，那些讨厌的存储系统不断变得越来越大。由于一些固态硬盘已经使用 8K 硬件块大小，因此 ext4 对 4K 模块的当前限制越来越受到限制。较大的存储块可以显著减少碎片并提高性能，代价是增加“松弛”空间（当您只需要块的一部分来存储文件或文件的最后一块时留下的空间）。
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随着时间的推移，那些讨厌的存储系统不断变得越来越大。由于一些固态硬盘已经使用 8K 硬件块大小，因此 ext4 对 4K 模块的当前限制越来越受到限制。较大的存储块可以显著减少碎片并提高性能，代价是增加“松弛”空间（当你只需要块的一部分来存储文件或文件的最后一块时留下的空间）。
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您可以在[设计文档][11]中查看详细说明。
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你可以在[设计文档][11]中查看详细说明。
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### ext4 的实际限制
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ext4 是一个健壮、稳定的文件系统。如今大多数人都应该在用它作为根文件系统，但它无法处理所有需求。让我们简单地谈谈你不应该期待的一些事情 —— 现在或可能在未来：
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虽然 ext4 可以处理高达 1 EiB 大小（相当于 1,000,000 TiB）大小的数据，但你真的、*真的*不应该尝试这样做。除了能够记住更多块的地址之外，还存在规模上的问题。并且现在 ext4 不会处理（并且可能永远不会）超过 50 —— 100TiB 的数据。
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虽然 ext4 可以处理高达 1 EiB 大小（相当于 1,000,000 TiB）大小的数据，但你 *真的* 不应该尝试这样做。除了能够记住更多块的地址之外，还存在规模上的问题。并且现在 ext4 不会处理（并且可能永远不会）超过 50-100TiB 的数据。
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ext4 也不足以保证数据的完整性。随着日志记录的重大进展又回到了 ext3 的那个时候，它并未涵盖数据损坏的许多常见原因。如果数据已经在磁盘上被[破坏][12] —— 由于故障硬件，宇宙射线的影响（是的，真的），或者只是数据随时间衰减 —— ext4 无法检测或修复这种损坏。
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@ -198,17 +197,17 @@ ext4 也不足以保证数据的完整性。随着日志记录的重大进展又
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在我们开始之前，提醒一句：要非常小心，没有任何备用的文件系统作为主线内核的一部分而内置和直接支持！
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即使一个文件系统是*安全的*，如果在内核升级期间出现问题，使用它作为根文件系统也是非常可怕的。如果你没有充分的理由通过一个 chroot 去使用替代介质引导，耐心地操作内核模块、 grub 配置和 DKMS...不要在一个很重要的系统中去掉预留的根文件。
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即使一个文件系统是 *安全的*，如果在内核升级期间出现问题，使用它作为根文件系统也是非常可怕的。如果你没有充分的理由通过一个 chroot 去使用替代介质引导，耐心地操作内核模块、grub 配置和 DKMS……不要在一个很重要的系统中去掉预留的根文件。
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可能有充分的理由使用您的发行版不直接支持的文件系统 —— 但如果您这样做，我强烈建议您在系统启动并可用后再安装它。（例如，您可能有一个 ext4 根文件系统，但是将大部分数据存储在 zfs 或 btrfs 池中。）
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可能有充分的理由使用你的发行版不直接支持的文件系统 —— 但如果你这样做，我强烈建议你在系统启动并可用后再安装它。（例如，你可能有一个 ext4 根文件系统，但是将大部分数据存储在 zfs 或 btrfs 池中。）
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#### XFS
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XFS 与非 ext 文件系统在 Linux 中的主线中的地位一样。它是一个 64 位的日志文件系统，自 2001 年以来内置于 Linux 内核中，为大型文件系统和高度并发性提供了高性能（即，大量的进程都会立即写入文件系统）。
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XFS 与非 ext 文件系统在 Linux 中的主线中的地位一样。它是一个 64 位的日志文件系统，自 2001 年以来内置于 Linux 内核中，为大型文件系统和高度并发性提供了高性能（即大量的进程都会立即写入文件系统）。
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从 RHEL 7 开始，XFS 成为 Red Hat Enterprise Linux 的默认文件系统。对于家庭或小型企业用户来说，它仍然有一些缺点 —— 最值得注意的是，重新调整现有 XFS 文件系统是一件非常痛苦的事情，不如创建另一个并复制数据更有意义。
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虽然 XFS 是稳定且是高性能的，但它和 ext4 之间没有足够具体的最终用途差异，以值得推荐在非默认（例如，RHEL7）的任何地方使用它，除非它解决了对 ext4 的特定问题，例如 > 50 TiB 容量的文件系统。
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虽然 XFS 是稳定且是高性能的，但它和 ext4 之间没有足够具体的最终用途差异，以值得推荐在非默认（如 RHEL7）的任何地方使用它，除非它解决了对 ext4 的特定问题，例如 > 50 TiB 容量的文件系统。
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XFS 在任何方面都不是 ZFS、btrfs 甚至 WAFL（一个专有的 SAN 文件系统）的“下一代”文件系统。就像 ext4 一样，它应该被视为一种更好的方式的权宜之计。
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@ -224,7 +223,7 @@ ZFS 由 Sun Microsystems 开发，以 zettabyte 命名 —— 相当于 1 万亿
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#### BTRFS
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Btrfs 是 B-Tree Filesystem 的简称，通常发音为 “butter” —— 由 Chris Mason 于 2007 年在 Oracle 任职期间发布。BTRFS 旨在跟 ZFS 有大部分相同的目标，提供多种设备管理、每块校验、异步复制、直列压缩等，[还有更多][8]。
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btrfs 是 B-Tree Filesystem 的简称，通常发音为 “butter” —— 由 Chris Mason 于 2007 年在 Oracle 任职期间发布。BTRFS 旨在跟 ZFS 有大部分相同的目标，提供多种设备管理、每块校验、异步复制、直列压缩等，[还有更多][8]。
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截至 2018 年，btrfs 相当稳定，可用作标准的单磁盘文件系统，但可能不应该依赖于卷管理器。与许多常见用例中的 ext4、XFS 或 ZFS 相比，它存在严重的性能问题，其下一代功能 —— 复制、多磁盘拓扑和快照管理 —— 可能非常多，其结果可能是从灾难性地性能降低到实际数据的丢失。
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@ -237,7 +236,7 @@ via: https://opensource.com/article/18/4/ext4-filesystem
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作者：[Jim Salter][a]
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译者：[HardworkFish](https://github.com/HardworkFish)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)、[pityonline](https://github.com/pityonline)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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