XFS设计 -- 转载

本文转载自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/filesystem/l-fs9/

老叶备注：xfs之所以能比ext3高效，主要得益于几点：

• 更合理的设计导致减少不必要的磁盘操作，尽可能利用内存
• 分配组(allocation groups)的设计使其能并行处理
• 无处不在的B+树索引，大大提升了效率
• 独特的日志记录方式，避免了日志文件系统通病
• 延迟分配机制，不仅减少了不必要的写操作，更有可能减少磁盘碎片

随着 Linux 2.4 发行版的到来，给我们带来了使用多种新文件系统的可能性，包括 Reiserfs、XFS、GFS 以及其它文件系统。这些文件系统听起来很酷，但是它们到底能做什么，它们擅长于什么，还有，您到底如何着手在 Linux 生产环境下安全地使用它们呢？Daniel Robbins 通过向您展示如何在 Linux 2.4 下设置这些新的高级文件系统来回答这些问题。在这一部分，Daniel 介绍了 XFS ― 目前可用于 Linux 的 SGI 的免费企业级文件系统。

在本文中，我们将研究 XFS ― 用于 Linux 的 SGI 的免费、64 位高性能文件系统。首先，我将说明，XFS 与 ext3 和 ReiserFS 相比，各有什么优缺点，并描述许多 XFS 内部使用的技术，然后，在下一篇文章中，我将全程指导您在自己的系统上设置XFS，并讲述了 XFS 调优技巧和诸如 ACL（访问控制表）及扩展属性支持之类有用的 XFS 特性。

XFS 简介

XFS 最初是由 Silicon Graphics，Inc. 于 90 年代初开发的。那时，SGI 发现他们的现有文件系统（existing filesystem，EFS）正在迅速变得不适应当时激烈的计算竞争。为解决这个问题，SGI 决定设计一种全新的高性能 64位文件系统，而不是试图调整 EFS在先天设计上的某些缺陷。因此，XFS 诞生了，并于 1994 年随 IRIX 5.3的发布而应用于计算。它至今仍作为 SGI 基于 IRIX 的产品（从工作站到超级计算机）的底层文件系统来使用。现在，XFS 也可以用于Linux。XFS 的 Linux 版的到来是激动人心的，首先因为它为 Linux社区提供了一种健壮的、优秀的以及功能丰富的文件系统，并且这种文件系统所具有的可伸缩性能够满足最苛刻的存储需求。

XFS、ReiserFS 和 ext3 的性能

到目前为止，选择合适的下一代 Linux 文件系统一直很简单。那些只寻求原始性能的人通常倾向于使用ReiserFS，而那些更关心数据完整性特性的人则首选 ext3。然而，随着 XFS 的 Linux版的发布，事情突然变得令人困惑。尤其是，对于 ReiserFS 是否依然是下一代文件系统性能方面的佼佼者，人们开始感到疑惑。

最近，我进行了一系列测试，试图比较 XFS、ReiserFS 和 ext3在原始性能方面的优劣。在与您分享该结果之前，理解以下事实很重要：该结果只着重比较了在单处理器系统上，系统负载较轻的情况下，常规文件系统的性能趋势，它并不是衡量某一个文件系统是否比另一个文件系统“更好”的绝对尺度。尽管如此，我的结果应该可以帮助您形成一些概念，那就是：哪个文件系统可能最适于某个特定任务。再次声明，不应该将我的结果视为结论性的；最好的测试总是：在每个文件系统上运行您的特定应用程序，以观察它是如何执行的。

结果

在测试中，我发现 XFS 通常是相当快的。在大文件操作方面，XFS在所有测试中一直处于领先地位，这是意料之中的，因为其设计者花了数年时间设计和调整它，以便能够极出色地完成此类任务。我还发现XFS 有一个单点性能缺陷：它删除文件不是很快；在这一方面，ReiserFS 和 ext3 轻易地胜过了它。据 Steve Lord（SGI的文件系统软件总工程师）说，刚编写完一个补丁来解决该问题，并且不久将可以使用该补丁。

除此以外，XFS 的性能非常接近 ReiserFS，并在大多数测试指标上都超过了 ext3。XFS 最佳表现之一在于：象 ReiserFS一样，它不产生不必要的磁盘活动。XFS设法在内存中缓存尽可能多的数据，并且，通常仅当内存不足时，才会命令将数据写到磁盘时。当它将数据清仓（flushing）到磁盘时，其它IO 操作在很大程度上似乎不受影响。相反，在ext3（“data=ordered”缺省方式）下，将数据清仓到磁盘时，将导致许多额外寻道，甚至还会引起某种不必要的磁盘抖动（thrashing）（取决于IO 负载）。

我的性能和调整测试主要是关于将 RAM 磁盘中未压缩的内核源文件 tar包（tarball）抽取到要测试的文件系统，然后递归地将新源文件树复制到同一文件系统中的一个新目录中。XFS对这类任务执行得很好，尽管，最初 XFS 性能比 ReiserFS 略差一点。然而，在调整了测试 XFS 文件系统的 mkfs.xfs 和 mount 选项以后，当处理诸如在内核源文件树中的中等大小的文件时，XFS 执行效率比 ReiserFS略好一点。但这不包括删除操作；至少目前，ReiserFS 和 ext3 删除文件要比 XFS 快得多。

性能总结

XFS
在哪些方面可以给您提供哪种性能，对于这一点，希望我的测试结果有助于您形成总的概念；我的测试结果显示，如果需要操作大文件，XFS 文件系统是您最好的选择。对于小文件和中等大小的文件，如果您使用一些能够增强性能的选项创建和挂装 XFS文件系统的话，它可以与 ReiserFS 匹敌，有时甚至比 ReiserFS 更快。在“data=journal”方式下的 ext3提供了良好性能，但是它很难获得一致的性能数据，原因在于，ext3将先前测试中的数据清仓到磁盘所使用的方式，具有明显的不规律性，这将导致某种磁盘抖动。

XFS 设计

在 USENIX '96 上刊载的文章“Scalability in the XFS Filesystem”中（请参阅本文后面的参考资料），SGI 工程师解释：他们设计 XFS 的主要思想只有一个，那就是：“考虑大东西”。确实，XFS的设计消除了传统文件系统中的一些限制。现在，让我们研究 XFS幕后一些有趣的设计特性，正是这些设计特性使这一点成为可能。

分配组（allocation groups）简介

当创建 XFS文件系统时，底层块设备被分割成八个或更多个大小相等的线性区域（region）。您可以将它们想象成“块”（chunk）或者“线性范围（range）”，但是在XFS术语中，每个区域称为一个“分配组”。分配组是唯一的，因为每个分配组管理自己的索引节点（inode）和空闲空间，实际上，是将这些分配组转化为一种文件子系统，这些子系统正确地透明存在于XFS 文件系统内。

分配组与可伸缩性

那么，XFS 到底为什么要有分配组呢？主要原因是，XFS 使用分配组，以便能有效地处理并行IO。因为，每个分配组实际上是一个独立实体，所以内核可以同时与多个分配组交互。如果不使用分配组，XFS文件系统代码可能成为一种性能瓶颈，迫使大量需求 IO的进程“排队”来使索引节点进行修改或执行其它种类的元数据密集操作。多亏了分配组，XFS代码将允许多个线程和进程持续以并行方式运行，即使它们中的许多线程和进程正在同一文件系统上执行大规模 IO 操作。因此，将XFS 与某些高端硬件相结合，您将获得高端性能而不会使文件系统成为瓶颈。分配组还有助于在多处理器系统上优化并行 IO性能，因为可以同时有多个元数据更新处于“在传输中”。

B+ 树无处不在

分配组在内部使用高效的 B+ 树来跟踪主要数据，譬如空闲空间的范围和索引节点。实际上，每个分配组使用两棵 B+
树来跟踪空闲空间；一棵树按空闲空间的大小排序来存储空闲空间的范围，另一棵树按块设备上起始物理位置的排序来存储这些区域。XFS 擅长于迅速发现空闲空间区域，这种能力对于最大化写性能很关键。

当对索引节点进行管理时，XFS 也是很有效的。每个分配组在需要时以 64 个索引节点为一组来分配它们。每个分配组通过使用 B+树来跟踪自己的索引节点，该 B+ 树记录着特定索引节点号在磁盘上的位置。您会发现 XFS 之所以尽可能多地使用 B+ 树，原因在于B+ 树的优越性能和极大的可扩展性。

日志记录

当然，XFS 也是一种日志记录文件系统，它允许意外重新引导后的快速恢复。象 ReiserFS 一样，XFS 使用逻辑日志；即，它不象 ext3 那样将文字文件系统块记录到日志，而是使用一种高效的磁盘格式来记录元数据的变动。就 XFS而言，逻辑日志记录是很适合的；在高端硬件上，日志经常是整个文件系统中争用最多的资源。通过使用节省空间的逻辑日志记录，可以将对日志的争用降至最小。另外，XFS
允许将日志存储在另一个块设备上，例如，另一个磁盘上的一个分区。这个特性很有用，它进一步改进了 XFS 文件系统的性能。

象 ReiserFS 一样，XFS 只对元数据进行日志记录，并且在写元数据之前，XFS不采取任何专门的预防措施来确保将数据保存到磁盘。这意味着，使用 XFS（就象使用ReiserFS）时，如果发生意外的重新引导，则最近修改的数据有可能丢失。然而，XFS 日志有两个特性使得这个问题不象使用 ReiserFS时那么常见。

使用 ReiserFS时，意外重新引导可能导致最近修改的文件中包含先前删除文件的部分内容。除了数据丢失这个显而易见的问题以外，理论上，这还可能引起安全性威胁。相反，当XFS 日志系统重新启动时，XFS确保任何未写入的数据块在重新引导时置零。因此，丢失块由空字节来填充，这消除了安全性漏洞 ―这是一种好得多的方法。

现在，关于数据丢失问题本身，该怎么办呢？通常，使用 XFS 时，该问题被最小化了，原因在于以下事实：XFS 通常比 ReiserFS
更频繁地将暂挂元数据更新写到磁盘，尤其是在磁盘高频率活动期间。因此，如果发生死锁，那么，最近元数据修改的丢失，通常比使用
ReiserFS 时要少。当然，这不能彻底解决不及时写数据块的问题，但是，更频繁地写元数据也确实促进了更频繁地写数据。

延迟分配

研究一下延迟分配这个 XFS 独有的特性，然后我们将结束关于 XFS的技术概述。正如您可能知道的，术语分配（allocation）是指：查找空闲空间区域并用于存储新数据的过程。

XFS 通过将分配过程分成两个步骤来处理。首先，当 XFS 接收到要写入的新数据时，它在 RAM中记录暂挂事务，并只在底层文件系统上
保留适当空间。然而，尽管 XFS为新数据保留了空间，但它却没有决定将什么文件系统块用于存储数据，至少现在还没决定。XFS进行拖延，将这个决定延迟到最后可能的时刻，即直到该数据真正写到磁盘之前作出。

通过延迟分配，XFS 赢得了许多机会来优化写性能。到了要将数据写到磁盘的时候，XFS能够以这种优化文件系统性能的方式，智能地分配空闲空间。尤其是，如果要将一批新数据添加到单一文件，XFS可以在磁盘上分配一个单一、相邻区域来储存这些数据。如果 XFS没有延迟它的分配决定，那么，它也许已经不知不觉地将数据写到了多个非相邻块中，从而显著地降低了写性能。但是，因为 XFS延迟了它的分配决定，所以，它能够一下子写完数据，从而提高了写性能，并减少了整个文件系统的碎片。

在性能上，延迟分配还有另一个优点。在要创建许多“短命的”临时文件的情况下，XFS可能根本不需要将这些文件全部写到磁盘。因为从未给这些文件分配任何块，所以，也就不必释放任何块，甚至根本没有触及底层文件系统元数据。

结束语

我希望您喜欢阅读这篇关于 XFS（Linux的、功能强大的下一代文件系统之一）的性能和技术特征的文章。在下一篇文章中，我们再见，那时我将向您展示如何设置XFS，并在您的系统上运行它。在下一篇文章中，我们还将研究 XFS 的一些高级特性，譬如 ACL 和扩展属性。那么我们下次见！