簡介：
第 4 個擴充套件檔案系統，即
ext4
，是下一代的日誌檔案系統，它與上一代檔案系統 ext3 是向後相容的。儘管 ext4 目前還不是標準檔案系統，但它將成為大部分下一代 linux® 發行版的預設檔案系統。了解 ext4，以及它為什麼將成為您最喜歡的新檔案系統。
linux 核心的每次發行都伴隨一些驚喜，今年 12 月份發行的 2.6.28 也不例外。這個發行版是首個穩定的 ext4 檔案系統（它還包含其他出色的特性，比如正在開發的 btrfs）。這個下一代擴充套件檔案系統提供更好的伸縮性、可靠性和許多新功能。ext4 的伸縮性如此之大，以致最大的檔案系統所用的磁碟空間將達到 100 萬 tb。
擴充套件檔案系統的簡史
vfs 是乙個從上層檔案系統使用者提取底層檔案系統細節的層。在提取過程中，vfs 允許在特定 linux 系統上同時支援多檔案系統。
第乙個受 linux 支援的檔案系統是 minix 檔案系統。這個檔案系統有嚴重的效能問題，因此出現了另乙個針對 linux 的檔案系統，即擴充套件檔案系統。第 1 個擴充套件檔案系統（ext1）由 remy card 設計，並於 1992 年 4 月引入到 linux 中。ext1 檔案系統是第乙個使用虛擬檔案系統（vfs）交換的檔案系統。虛擬檔案系統交換是在 0.96c 核心中實現的，支援的最大檔案系統為 2 gb。
第 2 個擴充套件檔案系統（ext2）也是由 remy card 實現的，並於 1993 年 1 月引入到 linux 中。它借鑑了當時檔案系統（比如 berkeley fast file system [ffs]）的先進想法。ext2 支援的最大檔案系統為 2tb，但是 2.6 核心將該檔案系統支援的最大容量提公升到 32tb。
第 3 個擴充套件檔案系統（ext3）是 linux 檔案系統的重大改進，儘管它在效能方面遜色於某些競爭對手。ext3 檔案系統引入了日誌 概念，以在系統突然停止時提高檔案系統的可靠性。雖然某些檔案系統的效能更好（比如 silicon graphics 的 xfs 和 ibm® journaled file system [jfs]），但 ext3 支援從使用 ext2 的系統進行就地（in-place）公升級。ext3 由 stephen tweedie 實現，並於 2001 年 11 月引入。
今天，我們已經擁有第 4 個擴充套件檔案系統（ext4）。ext4 在效能、伸縮性和可靠性方面進行了大量改進。最值得一提的是，ext4 支援 1 eb 的檔案系統。ext4 是由 theodore tso（ext3 的維護者）領導的開發團隊實現的，並引入到 2.6.19 核心中。目前，它在 2.6.28 核心中已經很穩定（到 2008 年 12 月為止）。
ext4 從競爭對手那裡借鑑了許多有用的概念。例如，在 jfs 中已經實現了使用區段（extent）來管理塊。另乙個與塊管理相關的特性（延遲分配）已經在 xfs 和 sun microsystems 的 zfs 中實現。
在 ext4 檔案系統中，您可以發現各種改進和創新。這些改進包括新特性（新功能）、伸縮性（打破當前檔案系統的限制）和可靠性（應對故障），當然也包括效能的改善。
功能ext4 引入了大量新功能，但最重要的是與 ext3 的向後和向前相容性，以及在時間戳上的改進。這些改進立足於提高未來的 linux 系統的效能。
向後和向前相容性
由於 ext3 是 linux 上最受歡迎的檔案系統之一，因此應該能夠輕鬆遷移到 ext4。為此，ext4 被設計為在 extent 方面具有向後和向前相容性（參見圖 1）。ext4 與 ext3 是向前相容的，這樣就可以將 ext3 檔案系統掛載為 ext4 檔案系統。為了充分利用 ext4 的優勢，必須實現檔案系統的遷移，以轉換和利用新的 ext4 格式。您還可以將 ext4 掛載為 ext3（向後相容），但前提是 ext4 檔案系統不能使用區段（將在效能小節對其進行討論）。
圖 1. ext4 的向後和向前相容性
提高時間戳解析度和擴充套件範圍
令人驚訝的是，ext4 之前的擴充套件檔案系統的時間戳都是以秒為單位的。這已經能夠應付大多數設定，但隨著處理器的速度和整合程度（多核處理器）不斷提公升，以及 linux 開始向其他應用領域發展（比如高效能計算），基於秒的時間戳已經不夠用。ext4 設計時間戳時考慮到未來的發展，它將時間戳的單位提公升到納秒。ext4 給時間範圍新增了兩個位，從而讓時間壽命再延長 500 年。
伸縮性檔案系統未來發展的乙個重要方面就是伸縮性，即根據需求進行伸縮的能力。ext4 以多種方式現實了強大的伸縮性，它的伸縮性超越了 ext3，並且在檔案系統元資料管理方面開闢了新領域。
突破檔案系統的限制
ext4 的乙個明顯差別就是它支援更大的檔案系統、檔案和子目錄。ext4 支援的最大檔案系統為 1 eb（1000 pb）。雖然根據今天的標準這個檔案系統已經非常巨大，但儲存空間的消費會不斷增長，因此 ext4 必須考慮到未來的發展。ext4 支援最大 16 tb 的檔案（假設由 4kb 的塊組成），這個容量是 ext3 的 8 倍。
最後，ext4 也擴充套件了子目錄的容量，將其從 32kb 擴充套件到無窮大。這是極端情況，我們還需要考慮檔案系統的層次結構，因為它的最大儲存容量為 1 eb。此外，目錄索引也優化為類似於雜湊 b 樹結構，因此儘管限制更加多，但 ext4 支援更快的查詢。
區段ext3 分配空間的方式是其主要缺點之一。ext3 使用空閒空間位對映來分配檔案，這種方式不是很快，並且伸縮性不強。ext3 的格式對小檔案而言是很高效的，但對於大檔案則恰恰相反。ext4 使用區段取代 ext3 的機制，從而改善了空間的分配，並且支援更加高效的儲存結構。區段 是一種表示一組相鄰塊的方式。使用區段減少了元資料，因為區段維護關於一組相鄰塊的儲存位置的資訊（從而減少了總體元資料儲存），而不是乙個塊的儲存位置的資訊。
ext4 的區段採用分層的方法高效地表示小檔案，並且使用區段樹高效地表示大檔案。例如，單個 ext4 inode 有足夠的空間來引用 4 個區段（每個區段表示一組相鄰的塊）。對於大檔案（包括片段檔案），乙個 inode 能夠引用乙個索引節點，而每個索引節點能夠引用乙個葉節點（引用多個區段）。這種持續的區段樹為大檔案（尤其是分散的檔案）提供豐富的表示方式。這些節點還包含自主檢查機制，以阻止檔案系統損壞帶來威脅。
效能衡量乙個新檔案系統的最重要指標就是它的根本效能。這常常是最難實現的指標，因為當檔案系統變得龐大並且要求實現高可靠性時，將會以損害效能為代價。但是，ext4 不僅解決了伸縮性和可靠性，它還提供各種改善效能的方法。
檔案級預分配
某些應用程式，比如資料庫或內容流，要求將檔案儲存在相鄰的塊上（利用相鄰塊的讀優化和最大化讀的命令-塊比率）。儘管區段能夠將相鄰塊劃分為片段，但另一種更強大的方法是按照所需的大小預分配比較大的相鄰塊（xfs 以前就是採用這種方法）。ext4 通過乙個新的系統呼叫來實現這個目的，這個呼叫將按照特定的大小預分配並初始化檔案。然後，您就可以寫入必要的資料，並為資料提供不錯的讀效能。
延遲塊分配
另乙個基於檔案大小的優化是延遲分配。這種效能優化延遲磁碟上的物理塊的分配，直到塊被刷入到磁碟時才進行分配。這種優化的關鍵是延遲物理塊的分配，直到需要在磁碟上寫這些物理塊時才對其進行分配並寫到相鄰的塊。這類似於持久化預分配，惟一的區別是檔案系統會自動執行這項任務。不過如果預先知道檔案的大小時，持久化預分配是更好的選擇。
多個塊分配
這是最後乙個與相鄰塊相關的優化，即針對 ext4 的塊分配器。在 ext3 中，塊分配器的工作方式是每次分配乙個塊。當需要分配多個塊時，非相鄰塊中可能存在相鄰的資料。ext4 使用塊分配器修復了這個問題，它能夠在磁碟上一次分配多個塊。與前面其他優化一樣，這個優化在磁碟上收集相關的資料，以實現相鄰讀優化。
多個塊分配的另乙個方面是分配塊時需要的處理量。記住，ext3 一次只分配乙個塊。在最簡單的情況下，每個塊的分配都要有乙個呼叫。如果一次分配多個塊，對塊分配器的呼叫就會大大減少，從而加快分配並減少處理量。
可靠性ext4 檔案系統可能會擴充套件得比較大，這將導致可靠性問題。但 ext4 通過許多自主保護和自主修復機制來解決這個問題。
執行檔案系統日誌校驗和
和 ext3 一樣，ext4 也是乙個日誌檔案系統。日誌記錄 就是通過日記（磁碟上相鄰區域的專門迴圈記錄）記錄檔案系統的變更的過程。因此，根據日誌對物理儲存執行實際變 更更加可靠，並且能夠確保一致性，即使在操作期間出現系統崩潰或電源中斷。這樣做可以減少檔案系統損壞的機率。
但是即使進行日誌記錄，如果日誌出現錯誤仍然會導致檔案系統損壞。為了解決這個問題，ext4 對日誌執行校驗和，確保有效變更能夠在底層檔案系統上正確完成。在 參考資料 小節可以找到其他關於日誌記錄（ext4 的重要部分）的資料。
ext4 支援根據使用者需求採用多種模式的日誌記錄。例如，ext4 支援 writeback 模式，它僅記錄元資料；或 ordered 模式，它記錄元資料，但寫為元資料的資料是從日誌中寫入的；或 journal 模式（最可靠的模式），它同時記錄元資料和資料。注意，雖然 journal 模式是確保檔案系統一致的最佳選擇，但它也是最慢的，因為所有資料都要經過日誌。
結束語針對 linux 的擴充套件檔案系統有著漫長而豐富的歷史 — 從 1992 年首次引入 ext1 到 2008 年引入 ext4。ext4 是首個專門為 linux 設計的檔案系統，並且事實證明它是高效、穩定、強大的檔案系統。ext4 隨著檔案系統研究的深入而不斷發展，並且借鑑其他新檔案系統的先進思想（比如 xfs、jfs、reiser 和 iron 容錯檔案系統技術）。儘管目前** ext5 將會是什麼樣子還為時過早，但有一點是很明確的，它將主導企業級 liunx 系統。
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ext4檔案系統綜述
從本篇部落格起，我們開始研究現代檔案系統ext4，說其現代是因為其相比傳統檔案系統，有著更現代化的設計。這些先進的特性體現在本文所要敘述的以下方面。ext4是linux檔案系統的一次革命。在很多方面，ext4相對於ext3的進步要遠超過ext3相對於ext2的進步。ext3相對於 ext2的改進主要...
EXT4檔案組織 EXT4檔案系統詳解2
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ext4 檔案系統的優化
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