在近代歷史上，日志文件系統(tǒng)被認為十分奇特，主要是處于研究階段。而如今，日志文件系統(tǒng)（ext3）已經成為 Linux 的缺省文件系統(tǒng)。本文向大家揭示了日志文件系統(tǒng)背后的一些思想，以及在電源故障或系統(tǒng)崩潰時，如何提供更好的完整性。此外本文還介紹了現行的幾種日志文件 系統(tǒng)和下一代日志文件系統(tǒng)。
定義日志文件系統(tǒng)的方法有很多種，但是讓我們抓住要點。日志文件系統(tǒng)就是專為那些厭倦了一直盯著啟動時 fsck（即文件系統(tǒng)一致性檢查）的人而設計的（日志文件系統(tǒng)同樣適用于希望文件系統(tǒng)具有故障恢復能力的群體）。如果系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的未提供日志功能的文件系統(tǒng)，那么操作系統(tǒng)在檢測到系統(tǒng)為非正常關機時，會使用 fsck 應用程序執(zhí)行一致性檢驗。該應用程序會掃描文件系統(tǒng)（這要花費很長的時間），并修復任何可安全修復的問題。而在某些情況下，當文件系統(tǒng)損壞嚴重時，操作系統(tǒng)會啟動到單用戶模式，由用戶進行進一步的修復。
那么現在您應該清楚日志文件系統(tǒng)針對的是哪類人群了，但是他們是如何取締 fsck 的呢？籠統(tǒng)地說，日志文件系統(tǒng)就是通過維護一份日志來防止文件系統(tǒng)崩潰。所謂日志就是一種特殊的文件，它會在一個循環(huán)的緩沖區(qū)內記錄文件系統(tǒng)的修改，然后 將其定期提交到文件系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)發(fā)生崩潰，日志文件就會起到一個檢查點的作用，用于恢復未保存的信息，防止損壞文件系統(tǒng)元數據。
總 之，日志文件系統(tǒng)就是一種具有故障恢復能力的文件系統(tǒng)，它利用日志來記錄尚未提交到文件系統(tǒng)的修改，以防止元數據破壞（請參見圖 1）。但是如眾多其他 Linux 解決方案一樣，日志文件系統(tǒng)有多種方案供您選擇。下面就讓我們一起簡短回顧一下日志文件系統(tǒng)的歷史，然后再看一看現行的幾種文件系統(tǒng)，看看它們之間有什么 區(qū)別。
圖 1. 典型的日志文件系統(tǒng)
Linux 日志文件系統(tǒng)的歷史
最 早的日志文件系統(tǒng)是 IBM? Journaled File System（JFS）。JFS 于 1990 年首次發(fā)行，而當前 Linux 支持的版本是后期開發(fā)的 JFS2。1994 年，Silicon Graphics 為 IRIX 操作系統(tǒng)引進了高性能的 XFS。XFS 于 2001 年被植入 Linux 系統(tǒng)中。1998 年開發(fā)的智能文件系統(tǒng)（SFS）起初是為 Amiga 開發(fā)的，但之后卻在 GNU Lesser General Public License（LGPL）下發(fā)行，并于 2005 年獲得了 Linux 的支持。最常用的日志文件系統(tǒng) ext3fs （third extended file system）是 ext2 的擴展，它增加了記錄日志的功能。從 2001 年起，Linux 系統(tǒng)中就開始支持 ext3fs。最終，ReiserFS 日志文件系統(tǒng)在其被引入之后，力壓群雄，被廣泛使用。但由于其原開發(fā)者的一些法律糾紛，ReiserFS 日志文件系統(tǒng)未能得到進一步的發(fā)展。
日志的幾種變體
日志文件系統(tǒng)是使用日志來緩沖文件系統(tǒng)的修改（同時也可以應用于緊急故障恢復）的，但可以根據記錄的時間與內容采取不同的策略。其中，三種常見的策略為：回寫（writeback）、預定（ordered）和數據（data）。
在回寫模式 中，僅有元數據被記錄到日志，數據塊則被直接寫入到磁盤位置上。這樣可以保存文件系統(tǒng)結構，防止崩潰，但卻有可能發(fā)生數據崩潰（比如：在元數據記錄到日志后，數據塊寫入磁盤前，系統(tǒng)崩潰）。要想解決這個問題，您可以使用預定模式。預定模式 只將元數據記錄到日志，但是在此之前將數據寫入到磁盤。這樣就可以保證系統(tǒng)恢復后數據和文件系統(tǒng)的一致性。最后一種模式將數據也記錄到了日志中。在數據模式 中，元數據和數據都被記錄到日志中。這種模式可以最大限度地防止文件系統(tǒng)崩潰與數據丟失，但由于全部數據都寫入了兩次（先寫入日志，再寫入磁盤），系統(tǒng)性能可能會降低。
日志的提交也有很多種不同的策略。比如，是在日志將滿時，還是在超時后？
日志文件系統(tǒng)的現狀
如今，有幾種日志文件系統(tǒng)應用非常廣泛。每一種都有其自己的優(yōu)缺點。下面介紹現存最普遍的四種日志文件系統(tǒng)。
JFS2
JFS2（又稱 enhanced journaled file system）是最早期的日志文件系統(tǒng)，在植入 Linux 之前已被應用于 IBM AIX? 操作系統(tǒng)多年。它是 64 位的文件系統(tǒng)，雖然它是在原來的 JFS 的基礎上開發(fā)的，但卻較之有所改進，即：JFS2 具有更優(yōu)的擴展性能，而且支持多處理器架構。
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JFS2 支持預定的日志記錄方式，可以提高較高的性能，并實現亞秒級文件系統(tǒng)恢復。JFS2 同時為提高性能提供了基于分區(qū)的文件分配（Extent-based allocation）。基于分區(qū)的分配 是指對一組連續(xù)的塊而非單一的塊進行分配。由于這些塊在磁盤上是連續(xù)的，其讀取和寫入的性能就會更好。這種分配的另外一個優(yōu)勢就是可以將元數據管理最小化。按塊分配磁盤空間就意味著要逐塊更新元數據。而使用分區(qū)，元數據則僅需按照分區(qū)（可以代表多個塊）更新。
JFS2 還使用了 B+ 樹，以便更快地查找目錄和管理分區(qū)描述符。JFS2 沒有內部日志提交策略，而是在 kupdate 守護進程超時時提交。
XFS
XFS 是 Silicon Graphicsis 于 1995 年為 IRIX 操作系統(tǒng)開發(fā)的其他早期日志文件系統(tǒng)之一。它于 2001 年就已經被植入 Linux，因此，它已經成熟而且可靠。
XFS 支持 64 位全地址尋址，并以 B+ 樹為目錄和文件分配提供高性能。XFS 同樣使用了基于分區(qū)的分配，支持可變的塊大�。◤� 512 字節(jié)到 64KB ）。除分區(qū)外，XFS 還采用延時分配，即等到塊將被寫入磁盤時，再為其分配磁盤空間。這樣所需磁盤空間總數就一目了然，因此這個功能提高了分配連續(xù)磁盤塊的可能性。
XFS 還有一些其他的有趣特性，它可以保證 rate 輸入輸出（I/O — 通過為文件系統(tǒng)用戶保留帶寬）和直接 I/O。其中，數據是直接在磁盤和用戶空間緩沖區(qū)間拷貝的（而不是從多個緩沖區(qū)進入）。XFS 采用回寫日志策略。
第三擴展文件系統(tǒng)（ext3fs）
第 三擴展文件系統(tǒng)（third extended file system，ext3fs）是最流行的日志文件系統(tǒng)，是由 ext2 文件系統(tǒng)演化而來。實際上，Ext3fs 可以與 ext2fs 兼容，這是因為 ext3fs 使用的結構與 ext2fs 相同，僅僅多了一個日志而已。我們甚至可以把 ext3fs 的一部分當作 ext2 文件系統(tǒng)掛載，或者將 ext2 文件系統(tǒng)轉換成 ext3 文件系統(tǒng)（使用 tune2fs 實用程序）。
Ext3fs 允許用三種方式記錄日志（回寫，預定和數據），但預定模式為默認模式。日志提交策略也是可配置的，但是默認在日志填滿 1/4 時或其中一個提交計時器超時時，提交日志。
ext3fs 主要的弊端之一就是它最初不是作為日志文件系統(tǒng)而設計的。它是在 ext2fs 的基礎上開發(fā)的，因此缺少一些其他日志文件系統(tǒng)所具備的高級特性（例如分區(qū)）。它在性能方面較之 ReiserFS、JFS 以及 XFS 也尤為遜色，但它所需要的 CPU 和內存要比同類解決方案少。
ReiserFS
ReiserFS 是從一開始就按照記錄日志的意圖而開發(fā)的日志文件系統(tǒng)。ReiserFS 于 2001 年被引進到主流 2.4 內核（Linux 采用的第一個日志文件系統(tǒng)）。其默認的日志記錄方法為預定，且支持以在線調整大小的方式擴展文件系統(tǒng)。ReiserFS 同時還具有 tail packing 功能，顯著減少了磁盤碎片。在處理較小文件方面，ReiserFS 的速度要比 ext3f 快（當 tail packing 可用時）。
ReiserFS（又稱 ReiserFS v3）具有很多先進的功能，如 B+ 樹。該文件系統(tǒng)的基礎格式建立在單一的 B+ 樹的基礎之上，這使得搜索的效率和可伸縮性增強。提交策略則取決于日志的大小，但是要以待提交的塊的數量為基礎。
ReiserFS 也遇到了幾個問題 — 大多是最近出現的，這與其開發(fā)者遇到了一些法律糾紛有直接原因。
日志文件系統(tǒng)的未來
現在您已經了解了現行的（和過去的）日志文件系統(tǒng)，下面就讓我們看一看它的發(fā)展趨勢。
Reiser4
在成功地將 ReiserFS 合并到 Linux 內核，并被很多的 Linux 發(fā)行版采用之后，Namesys（開發(fā) ReiserFS 的公司）便開始致力于新的日志文件系統(tǒng)的開發(fā)。Reiser4 被設計成為全新的日志文件系統(tǒng)，它擁有很多先進的功能。
Resier4 擬定通過 wandering 日志和延遲分配塊直至日志提交（像在 XFS 中一樣）的方式來實現更優(yōu)秀的日志記錄。Reiser4 還設計有靈活的插件架構（以支持諸如壓縮和加密之類的功能），但是被 Linux 社區(qū)拒絕了，因為這些在虛擬文件系統(tǒng)（virtual file system，VFS）被當作是最好的功能。
由于 Namesys 的所有者的堅持，所有關于 Reiser4 的商業(yè)活動都停止了。
第四擴展文件系統(tǒng)
第 四擴展日志文件系統(tǒng)（fourth extended journaling file system，ext4fs）是由 ext3fs 演化而來。Ext4 文件系統(tǒng)被設計為具有向前和向后兼容性，但它具有許多新的高級特性（其中的一些特性破壞了兼容性）。這就意味著您可以將 ext4fs 的一部分作為 ext3fs 掛載，反之亦然。
首先，ext4fs 是 64 位文件系統(tǒng)，并被設計為可以支持很大的容量（1 exabyte）。它還可以使用分區(qū)，但是這樣做將失去與 ext3fs 的兼容性。像 XFS 和 Reiser4 一樣，ext4fs 還支持在必要時采取延時分配方式分配塊（這樣可以減少磁盤碎片）。日志的內容也已經執(zhí)行過檢查和（checksum），使日志更加可靠。ext4fs 并沒有采用標準的 B+ 或者 B* 樹，取而代之的是 B 樹的一種變體，叫做 H 樹，它支持更大的子目錄（ext3 的上限為 32KB ）。
雖然延時分配的方法可以減少磁盤碎片，但時間久了，一個大的文件系統(tǒng)可能會成為碎片。為解決這個問題，開發(fā)了在線磁盤碎片整理工具（e4defrag）。您可以使用這個工具來整理單個的文件或者整個文件系統(tǒng)
關鍵詞標簽：Linux,Linux日志文件系
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