Linux日志文件系統(tǒng)及性能分析(組圖)

 日志文件系統(tǒng)可以在系統(tǒng)發(fā)生斷電或者其它系統(tǒng)故障時保證整體數(shù)據(jù)的完整性，Linux是目前支持日志文件系統(tǒng)最多的操作系統(tǒng)之一，本文重點研究了Linux常用的日志文件系統(tǒng)：EXT3、ReiserFS、XFS和JFS日志技術，并采用標準的測試工具PostMark和 Bonnie++對它們進行了測試，給出了詳細的性能分析，對Linux服務器應用具有重要的參考價值。

一、概述

所謂日志文件系統(tǒng)是在傳統(tǒng)文件系統(tǒng)的基礎上，加入文件系統(tǒng)更改的日志記錄，它的設計思想是：跟蹤記錄文件系統(tǒng)的變化，并將變化內容記錄入日志。日志文件系統(tǒng)在磁盤分區(qū)中保存有日志記錄，寫操作首先是對記錄文件進行操作，若整個寫操作由于某種原因(如系統(tǒng)掉電)而中斷，系統(tǒng)重啟時，會根據(jù)日志記錄來恢復中斷前的寫操作。在日志文件系統(tǒng)中，所有的文件系統(tǒng)的變化都被記錄到日志，每隔一定時間，文件系統(tǒng)會將更新后的元數(shù)據(jù)及文件內容寫入磁盤。在對元數(shù)據(jù)做任何改變以前，文件系統(tǒng)驅動程序會向日志中寫入一個條目，這個條目描述了它將要做些什么，然后它修改元數(shù)據(jù)。目前Linux的日志文件系統(tǒng)主要有：在Ext2基礎上開發(fā)的Ext3，根據(jù)面向對象思想設計的ReiserFS，由SGI IRIX系統(tǒng)移植過來的XFS，由IBM AIX系統(tǒng)移植過來的JFS，其中EXT3完全兼容EXT2，其磁盤結構和EXT2完全一樣，只是加入日志技術;而后三種文件系統(tǒng)廣泛使用了B樹以提高文件系統(tǒng)的效率。

二、Ext3

Ext3 文件系統(tǒng)是直接從Ext2文件系統(tǒng)發(fā)展而來，目前Ext3文件系統(tǒng)已經(jīng)非常穩(wěn)定可靠，它完全兼容Ext2文件系統(tǒng)，用戶可以平滑地過渡到一個日志功能健全的文件系統(tǒng)。Ext3日志文件系統(tǒng)的思想就是對文件系統(tǒng)進行的任何高級修改都分兩步進行。首先，把待寫塊的一個副本存放在日志中;其次，當發(fā)往日志的 I/O 數(shù)據(jù)傳送完成時(即數(shù)據(jù)提交到日志)，塊就寫入文件系統(tǒng)。當發(fā)往文件系統(tǒng)的I/O 數(shù)據(jù)傳送終止時(即數(shù)據(jù)提交給文件系統(tǒng))，日志中的塊副本就被丟棄。

2.1 Ext3日志模式

Ext3既可以只對元數(shù)據(jù)做日志，也可以同時對文件數(shù)據(jù)塊做日志。具體來說，Ext3提供以下三種日志模式：

日志(Journal )

文件系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的改變都記入日志。這種模式減少了丟失每個文件所作修改的機會，但是它需要很多額外的磁盤訪問。例如，當一個新文件被創(chuàng)建時，它的所有數(shù)據(jù)塊都必須復制一份作為日志記錄。這是最安全和最慢的Ext3日志模式。

預定(Ordered )

只有對文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的改變才記入日志。然而，Ext3文件系統(tǒng)把元數(shù)據(jù)和相關的數(shù)據(jù)塊進行分組，以便把元數(shù)據(jù)寫入磁盤之前寫入數(shù)據(jù)塊。這樣，就可以減少文件內數(shù)據(jù)損壞的機會;例如，確保增大文件的任何寫訪問都完全受日志的保護。這是缺省的Ext3 日志模式。

寫回(Writeback )

只有對文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的改變才記入日志;這是在其他日志文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的方法，也是最快的模式。

2.2 日志塊設備(JBD)

Ext3 文件系統(tǒng)本身不處理日志，而是利用日志塊設備(Journaling Block Device)或叫JBD 的通用內核層。Ext3文件系統(tǒng)調用JDB例程以確保在系統(tǒng)萬一出現(xiàn)故障時它的后續(xù)操作不會損壞磁盤數(shù)據(jù)結構。Ext3 與JDB 之間的交互本質上基于三個基本單元：日志記錄，原子操作和事務。

日志記錄本質上是文件系統(tǒng)將要發(fā)出的低級操作的描述。在某些日志文件系統(tǒng)中，日志記錄只包括操作所修改的字節(jié)范圍及字節(jié)在文件系統(tǒng)中的起始位置。然而，JDB 層使用的日志記錄由低級操作所修改的整個緩沖區(qū)組成。這種方式可能浪費很多日志空間(例如，當?shù)图壊僮鲀H僅改變位圖的一個位時)，但是，它還是相當快的，因為JBD 層直接對緩沖區(qū)和緩沖區(qū)首部進行操作。

修改文件系統(tǒng)的任一系統(tǒng)調用都通常劃分為操縱磁盤數(shù)據(jù)結構的一系列低級操作。如果這些低級操作還沒有全部完成系統(tǒng)就意外宕機，就會損壞磁盤數(shù)據(jù)。為了防止數(shù)據(jù)損壞，Ext3文件系統(tǒng)必須確保每個系統(tǒng)調用以原子的方式進行處理。原子操作是對磁盤數(shù)據(jù)結構的一組低級操作，這組低級操作對應一個單獨的高級操作。

出于效率的原因，JBD 層對日志的處理采用分組的方法，即把屬于幾個原子操作處理的日志記錄分組放在一個單獨的事務中。此外，與一個處理相關的所有日志記錄都必須包含在同一個事務中。一個事務的所有日志記錄都存放在日志的連續(xù)塊中。JBD層把每個事務作為整體來處理。例如，只有當包含在一個事務的日志記錄中的所有數(shù)據(jù)提交給文件系統(tǒng)時才回收該事務所使用的塊。

三、ReiserFS

ReiserFS 是一個非常優(yōu)秀的文件系統(tǒng)，其開發(fā)者非常有魄力，整個文件系統(tǒng)完全是從頭設計的。目前，ReiserFS可輕松管理上百G的文件系統(tǒng)，這在企業(yè)級應用中非常重要。ReiserFS 是根據(jù)面向對象的思想設計的，由語義層(semantic layer)和存儲層(storage layer)組成。語義層主要是對對象命名空間的管理及對象接口的定義，以確定對象的功能。存儲層主要是對磁盤空間的管理。語義層與存儲層是通過鍵(key)聯(lián)系的。語義層通過對對象名進行解析生成鍵，存儲層通過鍵找到對象在磁盤上存儲空間，鍵值是全局唯一的。

3.1 語義層主要接口

1) 文件接口 每個文件擁有一個接口ID，此ID標識一個方法集，此方法集包含訪問ReiserFS 文件的所有接口。

2) 屬性接口 ReiserFS實現(xiàn)了一種新接口，把文件的每一種屬性當做一個文件，屬性的值就是此文件的內容，以實現(xiàn)對文件屬性的目錄式訪問。

3) hash接口 目錄是文件名到文件的映射表，ReiserFS是通過B+樹來實現(xiàn)這張映射表。由于文件名是變長的，而且有時文件名會很長，所以文件名不適合作為鍵值，故引入了Hash函數(shù)來產(chǎn)生鍵值。

4) 安全接口 安全接口處理所有的安全性檢查，通常是由文件接口觸發(fā)的。下面以讀文件為例：文件接口的read 方法在讀入文件數(shù)據(jù)之前會調用安全接口的read chech 方法來來進行安全性檢查,而后者又會調用屬性文件的read方法把文件屬性讀入以便檢查。

5) 項(Item)接口 項接口主要是一些對項進行平衡處理的方法，包括：項的拆分，項的評估，項的覆寫，項的追加，項的刪除，插入及查找。[!--empirenews.page--]

6) 鍵分配(key Assignment)接口 當把一個鍵分配給一個項時，鍵分配接口就會被觸發(fā)。每一種項都有一個與其對應的鍵分配方法。

3.2 存儲層

ReiserFS是以B+樹來存儲數(shù)據(jù)的,其結構如圖：

圖1：ReiserFS B+ 樹

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在B+樹中的各個結點中有一個稱為項(Item)的數(shù)據(jù)結構。項是一個數(shù)據(jù)容器，一個項只屬于一個結點，是結點管理空間的基本單位。如圖所示，一個項包括以下內容：

1) Item_body：項的數(shù)據(jù)域

2) Item_key： 項的鍵值

3) Item_offset：數(shù)據(jù)域的起點在結點中的偏移量

4) Item_length： 數(shù)據(jù)域的長度

5) Item_Plugin_id：項接口ID。

圖2： ReiserFS 項結構

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ReiserFS設計了多種不同的項以存儲不同的數(shù)據(jù)，主要有以下幾種：

1) static_stat_data： 靜態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括文件的所有者，訪問權限，創(chuàng)建時間，最近修改時間，鏈接數(shù)等

2) cmpnd_dir_item： 包含各個目錄項

3) extend_pointers： 指向一個盤區(qū)(extend)

4) node_pointers： 指向一個結點

5) bodies： 包含的是文件的小部分數(shù)據(jù)

3.3 ReiserFS日志

與ext3 一樣，ReiserFS也有三種日志模式，即journal,ordered,writeback。同時，ReiserFS引入了兩種日志優(yōu)化方法： copy-on-capture和steal-on-capture。copy-on-capture:當一個事務要修改的塊在另一個未提交的事務中時，就把這個塊復制一份，這樣這兩個事務就可以并發(fā)進行了。steal-on-capture：當一個塊被多個事務修改時，只有最晚提交的那個事務才把這個塊實際寫入文件系統(tǒng)，其他事務都不寫這個塊。

四、XFS

XFS 是一種高性能的64 位文件系統(tǒng)，由SGI 公司為了替代原有的EFS 文件系統(tǒng)而開發(fā)的。XFS 通過保持cache 的一致性、定位數(shù)據(jù)和分布處理磁盤請求來提供對文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的低延遲、高帶寬的訪問。目前SGI已經(jīng)將XFS文件系統(tǒng)從IRIX移植到Linux。

4.1 分配組(allocation groups)

當創(chuàng)建 XFS 文件系統(tǒng)時，底層塊設備被分割成八個或更多個大小相等的線性區(qū)域(region)，用戶可以將它們想象成"塊"(chunk)或者"線性范圍(range)"，在 XFS 中，每個區(qū)域稱為一個"分配組"。分配組是唯一的，因為每個分配組管理自己的索引節(jié)點(inode)和空閑空間，實際上是將這些分配組轉化為一種文件子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)透明地存在于 XFS 文件系統(tǒng)內。有了分配組，XFS 代碼將允許多個線程和進程持續(xù)以并行方式運行，即使它們中的許多線程和進程正在同一文件系統(tǒng)上執(zhí)行大規(guī)模 IO 操作。因此，將 XFS 與某些高端硬件相結合，將獲得高性能而不會使文件系統(tǒng)成為瓶頸。分配組在內部使用高效的 B+樹來跟蹤主要數(shù)據(jù)，具有優(yōu)越性能和極大的可擴展性。

4.2 日志記錄

XFS 也是一種日志記錄文件系統(tǒng)，它允許意外重新引導后的快速恢復。象 ReiserFS 一樣，XFS 使用邏輯日志;它不象 ext3 那樣將文字文件系統(tǒng)塊記錄到日志，而是使用一種高效的磁盤格式來記錄元數(shù)據(jù)的變動。就 XFS 而言，邏輯日志記錄是很適合的;在高端硬件上，日志經(jīng)常是整個文件系統(tǒng)中爭用