（3）Linux性能调优之Linux文件系统

Linux作为开源操作系统，最大的优势是它可以支持各类文件系统。现代的 Linux 内核能够支持几乎每种文件系统，从基础的FAT到高性能的日志文件系统（JFS）都能可以。

因为目前Linux的发行版本中，Readhat系（开源版本是Centos）和debian系（大家熟知的Ubuntu）比较流行，所以后面会重点介绍下Readhat系用的xfs文件系统和ext4文件系统。

三、虚拟文件系统

虚拟文件系统（VFS）是一个处于用户进程和各类文件系统之间的抽象接口层，VFS提供访问文件系统对象的通用对象模型（例如，i-node、文件对象、页缓存、）和方法，它对用户进程隐藏了各种文件系统的差别。正是因为有VFS，所以用户进程不用关心使用的是那种文件系统，也更不需要知道各个文件系统应该使用哪个系统调用。下图显示了VFS的概况：

在开始介绍各个文件系统前，先介绍一个概念： 日志

在非日志文件系统上，当执行写操作时，内核先修改文件系统的元数据，然后写入实际的用户数据。这个操作可能会丢失数据的完整性。如果在写入文件系统元数据的时候系统突然崩溃，文件系统的一致性就可能被破坏。fsck会在下次启动时检查所有的元数据，并修复文件系统上的不一致，但是如果卷特别大的时候，这个修复过程就会变得很漫长，只能干等着fsck工作完之后才能使用这系统。

日志文件系统解决了这个问题，在写入实际的文件系统之前，他先把要修改的数据写入一个叫做日志区域（journal area）的地方。日志区域可以在文件系统上，也可以不在文件系统上。写入日志区域的数据叫做日志记录（joutnal log）。如果系统支持的话，它内容包括文件系统元数据和真正的文件数据。

因为在写入真正用户数据之前要写记录日志，和非日志文件系统相比会产生性能开销。维护数据高度一致性所牺牲的性能开销大小，取决于在写入用户数据之前要写入多少信息到磁盘上。

四、常见的文件系统

• 4.1 Ext2

Ext2是一个简单和快速的文件系统，没有日志功能。下图展示了Ext2的文件系统数据结构：

文件系统由一个引导扇区（boot sector）开始，后面跟着块组（block groups）。整个文件系统被分成许多小块组来获得高性能，因为i-node表和保存用户数据的数据块驻留在较前的磁盘，所以节约寻址时间。一个块组包含如下项目：

+ 超级块（Super block） 磁盘上信息存放在这里，超级块的副本保存在每个块组的顶部。
+ 块组描述符（Block group descriptor） 块组的信息存在这里
+ 数据块位图（Data block bitmaps） 空闲块管理
+ i-node位图（i-node bitmaps） 空闲i-node管理
+ i-node表（i-node tables） 存放i-node表。每个文件都有相应的i-node表，存放文件的元数据，譬如文件
模式、uid、gid、atime、ctime、mtime、dtime和数据块的指针。
+ 数据块（Data blocks） 存放真正的用户数据。
复制代码

如何访问数据？

为了找到组成文件的数据块，内核首先搜索文件的i-node。在接到进程打开/var/log/messages 文件的请求时，内核分析文件路径，然后搜索/（根目录）的条目，其中包含了它自己目录下 的文件和目录信息。这时候，内核会找到/var目录的i-node，然后再来看看/var目录，它也有 它自己目录下的文件和目录的信息。内核会一直执行上面的过程，直到找到/var/log/messages文件的i-node。Linux内核使用对象缓存，比如目录条目缓存或者i-node缓存来加速寻找i-node的过程。

一旦内核找到了文件的i-node，然后就试着访问真正的用户数据块。如前面解释的那样，inode有数据块的指针。参照它，内核就能获得数据块了。对于大文件来说，Ext2提供到数据块的直接/非直接参照。下图展示了它是如何工作的：

• 4.2 Ext3

Ext3和Ext2的基本结构是相似的，主要区别是Ext3支持日志。Ext3有如下亮点：

1.可用性： Ext3采用一致性的方式把数据写入磁盘，所以，当系统出现意外宕机（断电或者系统崩溃），
服务器再次启动时不用检查数据的一致性。可以把系统恢复时间从几小时缩短到几秒钟！
2.数据完整性： 在mount命令中使用data=journal打开日志记录模式，所有的数据，包括文件和元数据都会记录日志！
3.速度： 通过指定日志模式data=writeback，你可以在你的业务场景下，在速度和完整性之间做权衡。
在有大量同步写的时候，这个效果会十分显著。
4.灵活性： 把现有的Ext2很简单就能升级到Ext3，而且不用重新格式化。通过执行tune2fs命令和修改/etc/fstab文件，
你能够很简单的把Ext2升级到Ext3文件系统！同样，在关掉Ext3日志的情况下，Ext3能够作为Ext2文件系统进行挂载。
复制代码

Ext3支持3种日志模式:

1. 日志（journal） 通过记录文件数据和元数据，这个模式提供了最高的数据一致性。它的
性能消耗也是最大的。
2. 有序（ordered） 该模式下只记录元数据。然而，优先保证写入文件数据！
3. 回写（writeback） 这个日志选项提供最快的数据访问能力，但是牺牲了数据的一致性！
保证数据一致性的元数据也会被记录，但是没有处理确定的文件数据，在系统崩溃的时
候，这可能导致旧的数据出现在文件中。
复制代码

• 4.3 Ext4

EXT4是第四代扩展文件系统（英语：Fourth extended filesystem，缩写为ext4）是Linux系统下的日志文件系统，是ext3文件系统的后继版本。

目前的很多Linux发现版本用的都是ext4文件系统，关于ext4文件系统的介绍和特性参考百度百科：

Ext4文件系统

• 4.4 xfS

扩展文件系统（eXtended File System，XFS）是一个高性能日志文件系统，支持超大文件和分区。Redhat已经其开源版本Centos7用的正是xfs文件系统。关于xfs文件系统的介绍和特性参考百度百科：

xfs文件系统