Linux文件系統Ext2,Ext3,Ext4性能大比拼

轉自：http://www.weste.net/2009/2-2/19320553262.html

Linux kernel 自 2.6.28 開始正式支持新的文件系統 Ext4。 Ext4 是 Ext3 的改進版，修改了 Ext3 中部分重要的數據結構，而不僅僅像 Ext3 對 Ext2 那樣，只是增加了一個日誌功能而已。Ext4 可以提供更佳的性能和可靠性，還有更爲豐富的功能：

1. 與 Ext3 兼容。執行若干條命令，就能從 Ext3 在線遷移到 Ext4，而無須重新格式化磁盤或重新安裝系統。原有 Ext3 數據結構照樣保留，Ext4 作用於新數據，當然，整個文件系統因此也就獲得了 Ext4 所支持的更大容量。

2. 更大的文件系統和更大的文件。較之 Ext3 目前所支持的最大 16TB 文件系統和最大 2TB 文件，Ext4 分別支持 1EB（1,048,576TB， 1EB=1024PB， 1PB=1024TB）的文件系統，以及 16TB 的文件。

3. 無限數量的子目錄。Ext3 目前只支持 32,000 個子目錄，而 Ext4 支持無限數量的子目錄。

4. Extents。Ext3 採用間接塊映射，當操作大文件時，效率極其低下。比如一個 100MB 大小的文件，在 Ext3 中要建立 25,600 個數據塊（每個數據塊大小爲 4KB）的映射表。而 Ext4 引入了現代文件系統中流行的 extents 概念，每個 extent 爲一組連續的數據塊，上述文件則表示爲“該文件數據保存在接下來的 25,600 個數據塊中”，提高了不少效率。

5. 多塊分配。當寫入數據到 Ext3 文件系統中時，Ext3 的數據塊分配器每次只能分配一個 4KB 的塊，寫一個 100MB 文件就要調用 25,600 次數據塊分配器，而 Ext4 的多塊分配器“multiblock allocator”（mballoc） 支持一次調用分配多個數據塊。

6. 延遲分配。Ext3 的數據塊分配策略是儘快分配，而 Ext4 和其它現代文件操作系統的策略是儘可能地延遲分配，直到文件在 cache 中寫完纔開始分配數據塊並寫入磁盤，這樣就能優化整個文件的數據塊分配，與前兩種特性搭配起來可以顯著提升性能。

7. 快速 fsck。以前執行 fsck 第一步就會很慢，因爲它要檢查所有的 inode，現在 Ext4 給每個組的 inode 表中都添加了一份未使用 inode 的列表，今後 fsck Ext4 文件系統就可以跳過它們而只去檢查那些在用的 inode 了。

8. 日誌校驗。日誌是最常用的部分，也極易導致磁盤硬件故障，而從損壞的日誌中恢復數據會導致更多的數據損壞。Ext4 的日誌校驗功能可以很方便地判斷日誌數據是否損壞，而且它將 Ext3 的兩階段日誌機制合併成一個階段，在增加安全性的同時提高了性能。

9. “無日誌”（No Journaling）模式。日誌總歸有一些開銷，Ext4 允許關閉日誌，以便某些有特殊需求的用戶可以藉此提升性能。

10. 在線碎片整理。儘管延遲分配、多塊分配和 extents 能有效減少文件系統碎片，但碎片還是不可避免會產生。Ext4 支持在線碎片整理，並將提供 e4defrag 工具進行個別文件或整個文件系統的碎片整理。

11. inode 相關特性。Ext4 支持更大的 inode，較之 Ext3 默認的 inode 大小 128 字節，Ext4 爲了在 inode 中容納更多的擴展屬性（如納秒時間戳或 inode 版本），默認 inode 大小爲 256 字節。Ext4 還支持快速擴展屬性（fast extended attributes）和 inode 保留（inodes reservation）。

12. 持久預分配（Persistent preallocation）。P2P 軟件爲了保證下載文件有足夠的空間存放，常常會預先創建一個與所下載文件大小相同的空文件，以免未來的數小時或數天之內磁盤空間不足導致下載失敗。 Ext4 在文件系統層面實現了持久預分配並提供相應的 API（libc 中的 posix_fallocate()），比應用軟件自己實現更有效率。

13. 默認啓用 barrier。磁盤上配有內部緩存，以便重新調整批量數據的寫操作順序，優化寫入性能，因此文件系統必須在日誌數據寫入磁盤之後才能寫 commit 記錄，若 commit 記錄寫入在先，而日誌有可能損壞，那麼就會影響數據完整性。Ext4 默認啓用 barrier，只有當 barrier 之前的數據全部寫入磁盤，才能寫 barrier 之後的數據。（可通過 "mount -o barrier=0" 命令禁用該特性。）

Ext4 隨 Linux kernel 2.6.28 正式發佈已有數週，一直苦於找不到測試用的磁盤，正巧年前 Intel 送來幾塊 SSD 測試樣品，這兩天就順帶把 SSD 也測了。測試所使用的 Linux 內核版本爲 2.6.28.2，測試工具爲 IOzone 3.318。

IOzone 測試命令爲：

time /opt/iozone/bin/iozone -a -s 4G -q 256 -y 4 >|/root/ext4-iozone-stdout.txt

上述命令的說明如下：

    Auto Mode
    File size set to 4194304 KB
    Using Maximum Record Size 256 KB
    Using Minimum Record Size 4 KB
    Command line used: /opt/iozone/bin/iozone -a -s 4G -q 256 -y 4
    Output is in Kbytes/sec
    Time Resolution = 0.000001 seconds.
    Processor cache size set to 1024 Kbytes.
    Processor cache line size set to 32 bytes.
    File stride size set to 17 * record size.

測試結果除了表明 Intel SSD 的讀寫速度快得令人咋舌之外，還可以說明 Ext4 的各方面性能都超過了上一代 Ext3，甚至在大多數情況下，比沒有日誌功能的 Ext2 還要快出不少：

reclen	write	rewrite	read	reread	random read	random write
Ext2	4	218,680	216,596	630,248	245,802	88,700	138,065
8	215,308	218,690	556,064	246,260	154,680	150,052
real 28m12.718s	16	216,457	216,843	575,046	245,701	258,660	158,750
user 0m10.725s	32	217,925	214,289	537,976	243,081	394,013	167,002
sys 5m8.265s	64	215,460	219,256	527,919	244,362	503,227	162,917
128	219,081	216,173	540,831	242,526	609,750	161,442
256	216,091	217,631	565,111	245,157	654,274	173,955
Ext3	4	218,242	213,039	482,132	243,986	88,007	156,926
8	218,390	217,915	544,892	244,979	152,424	190,454
real 27m42.449s	16	218,083	217,683	561,038	244,506	255,244	200,032
user 0m11.529s	32	216,258	217,013	569,246	243,811	389,745	198,275
sys 7m17.049s	64	218,850	217,711	577,529	243,725	497,689	201,693
128	220,234	215,687	530,519	241,615	608,244	199,619
256	216,011	220,188	592,578	242,548	642,341	199,408
Ext4	4	221,823	216,992	532,488	273,668	85,210	183,195
8	226,028	218,580	561,960	272,036	154,972	216,505
real 27m3.485s	16	222,241	217,746	547,548	270,895	260,899	223,895
user 0m10.847s	32	220,121	213,025	240,426	247,628	345,210	175,977
sys 6m9.578s	64	223,983	214,437	308,696	551,577	754,941	225,897
128	222,576	217,816	624,636	271,293	644,500	224,997
256	221,202	222,238	541,685	270,898	671,748	228,085
bkwd read	record rewrite	stride read	fwrite	frewrite	fread	freread
Ext2	106,112	1,882,623	73,538	214,175	218,364	566,570	247,381
188,397	2,462,367	130,896	217,157	216,647	583,808	248,397
real 28m12.718s	306,842	2,654,320	220,939	216,061	218,140	598,174	246,581
user 0m10.725s	464,240	2,397,831	340,775	217,434	219,353	583,463	246,341
sys 5m8.265s	609,546	2,546,079	456,243	216,875	217,692	571,707	244,264
721,701	2,656,729	551,122	217,780	217,427	579,271	242,291
870,547	2,574,261	634,835	216,638	219,693	563,735	247,101
Ext3	105,557	1,540,739	75,010	216,028	216,432	522,704	243,385
181,486	1,945,603	130,737	218,364	216,431	530,853	243,222
real 27m42.449s	300,212	2,096,495	221,329	216,930	216,661	514,177	244,069
user 0m11.529s	446,462	1,934,853	338,785	216,809	219,296	530,634	243,446
sys 7m17.049s	589,535	2,036,412	450,449	219,387	214,900	514,353	244,809
714,295	1,992,168	553,022	217,828	218,454	513,596	241,510
834,240	2,092,959	624,043	217,682	218,165	529,358	242,878
Ext4	103,036	1,862,817	74,781	225,841	220,620	523,799	272,848
178,482	2,135,372	132,506	227,423	215,766	641,021	271,328
real 27m3.485s	295,288	2,095,966	223,135	226,055	216,210	621,287	273,475
user 0m10.847s	451,631	2,145,351	342,236	225,796	213,427	598,331	269,759
sys 6m9.578s	523,130	2,218,016	448,086	227,030	214,706	582,795	272,323
720,468	2,308,315	582,943	225,971	217,373	552,335	274,237
845,494	2,215,381	643,715	225,411	219,166	580,066	273,342

注：
1. 關於 IOzone 測試方法，參考 Ben Martin 的文章：IOzone for filesystem performance benchmarking
2. 關於 Ext4 的相關內容，參考 Kernel Newbies 專頁： http://kernelnewbies.org/Ext4