深入理解ext4等Linux文件系统

了解 ext4 的历史，包括其与 ext3 和之前的其它文件系统之间的区别。

目前的大部分 Linux 文件系统都默认采用 ext4 文件系统，正如以前的 Linux 发行版默认使用 ext3、ext2 以及更久前的 ext。

对于不熟悉 Linux 或文件系统的朋友而言，你可能不清楚 ext4 相对于上一版本 ext3 带来了什么变化。你可能还想知道在一连串关于替代的文件系统例如 Btrfs、XFS 和 ZFS 不断被发布的情况下，ext4 是否仍然能得到进一步的发展。

在一篇文章中，我们不可能讲述文件系统的所有方面，但我们尝试让你尽快了解 Linux 默认文件系统的发展历史，包括它的诞生以及未来发展。

我仔细研究了维基百科里的各种关于 ext 文件系统文章、kernel.org 的 wiki 中关于 ext4 的条目以及结合自己的经验写下这篇文章。

ext 简史 

MINIX 文件系统

在有 ext 之前，使用的是 MINIX 文件系统。如果你不熟悉 Linux 历史，那么可以理解为 MINIX 是用于 IBM PC/AT 微型计算机的一个非常小的类 Unix 系统。Andrew Tannenbaum 为了教学的目的而开发了它，并于 1987 年发布了源代码（以印刷版的格式！）。

IBM 1980 中期的 PC/AT，MBlairMartin，CC BY-SA 4.0

虽然你可以细读 MINIX 的源代码，但实际上它并不是自由开源软件（FOSS）。出版 Tannebaum 著作的出版商要求你花 69 美元的许可费来运行 MINIX，而这笔费用包含在书籍的费用中。尽管如此，在那时来说非常便宜，并且 MINIX 的使用得到迅速发展，很快超过了 Tannebaum 当初使用它来教授操作系统编码的意图。在整个 20 世纪 90 年代，你可以发现 MINIX 的安装在世界各个大学里面非常流行。而此时，年轻的 Linus Torvalds 使用 MINIX 来开发原始 Linux 内核，并于 1991 年首次公布，而后在 1992 年 12 月在 GPL 开源协议下发布。

但是等等，这是一篇以 文件系统 为主题的文章不是吗？是的，MINIX 有自己的文件系统，早期的 Linux 版本依赖于它。跟 MINIX 一样，Linux 的文件系统也如同玩具那般小 —— MINIX 文件系统最多能处理 14 个字符的文件名，并且只能处理 64MB 的存储空间。到了 1991 年，一般的硬盘尺寸已经达到了 40-140 MB。很显然，Linux 需要一个更好的文件系统。

ext

当 Linus 开发出刚起步的 Linux 内核时，Rémy Card 从事第一代的 ext 文件系统的开发工作。ext 文件系统在 1992 年首次实现并发布 —— 仅在 Linux 首次发布后的一年！—— ext 解决了 MINIX 文件系统中最糟糕的问题。

1992 年的 ext 使用在 Linux 内核中的新虚拟文件系统（VFS）抽象层。与之前的 MINIX 文件系统不同的是，ext 可以处理高达 2 GB 存储空间并处理 255 个字符的文件名。

但 ext 并没有长时间占统治地位，主要是由于它原始的时间戳（每个文件仅有一个时间戳，而不是今天我们所熟悉的有 inode、最近文件访问时间和最新文件修改时间的时间戳。）仅仅一年后，ext2 就替代了它。

ext2

Rémy 很快就意识到 ext 的局限性，所以一年后他设计出 ext2 替代它。当 ext 仍然根植于 “玩具” 操作系统时，ext2 从一开始就被设计为一个商业级文件系统，沿用 BSD 的 Berkeley 文件系统的设计原理。

ext2 提供了 GB 级别的最大文件大小和 TB 级别的文件系统大小，使其在 20 世纪 90 年代的地位牢牢巩固在文件系统大联盟中。很快它被广泛地使用，无论是在 Linux 内核中还是最终在 MINIX 中，且利用第三方模块可以使其应用于 MacOS 和 Windows。

但这里仍然有一些问题需要解决：ext2 文件系统与 20 世纪 90 年代的大多数文件系统一样，如果在将数据写入到磁盘的时候，系统发生崩溃或断电，则容易发生灾难性的数据损坏。随着时间的推移，由于碎片（单个文件存储在多个位置，物理上其分散在旋转的磁盘上），它们也遭受了严重的性能损失。

尽管存在这些问题，但今天 ext2 还是用在某些特殊的情况下 —— 最常见的是，作为便携式 USB 驱动器的文件系统格式。

ext3

1998 年，在 ext2 被采用后的 6 年后，Stephen Tweedie 宣布他正在致力于改进 ext2。这成了 ext3，并于 2001 年 11 月在 2.4.15 内核版本中被采用到 Linux 内核主线中。

20 世纪 90 年代中期的 Packard Bell 计算机，Spacekid，CC0

在大部分情况下，ext2 在 Linux 发行版中工作得很好，但像 FAT、FAT32、HFS 和当时的其它文件系统一样 —— 在断电时容易发生灾难性的破坏。如果在将数据写入文件系统时候发生断电，则可能会将其留在所谓 不一致 的状态 —— 事情只完成一半而另一半未完成。这可能导致大量文件丢失或损坏，这些文件与正在保存的文件无关甚至导致整个文件系统无法卸载。

ext3 和 20 世纪 90 年代后期的其它文件系统，如微软的 NTFS，使用 日志 来解决这个问题。日志是磁盘上的一种特殊的分配区域，其写入被存储在事务中；如果该事务完成磁盘写入，则日志中的数据将提交给文件系统自身。如果系统在该操作提交前崩溃，则重新启动的系统识别其为未完成的事务而将其进行回滚，就像从未发生过一样。这意味着正在处理的文件可能依然会丢失，但文件系统 本身 保持一致，且其它所有数据都是安全的。

在使用 ext3 文件系统的 Linux 内核中实现了三个级别的日志记录方式：日记journal、顺序ordered和回写writeback。

• 日记 是最低风险模式，在将数据和元数据提交给文件系统之前将其写入日志。这可以保证正在写入的文件与整个文件系统的一致性，但其显著降低了性能。
• 顺序 是大多数 Linux 发行版默认模式；顺序模式将元数据写入日志而直接将数据提交到文件系统。顾名思义，这里的操作顺序是固定的：首先，元数据提交到日志；其次，数据写入文件系统，然后才将日志中关联的元数据更新到文件系统。这确保了在发生崩溃时，那些与未完整写入相关联的元数据仍在日志中，且文件系统可以在回滚日志时清理那些不完整的写入事务。在顺序模式下，系统崩溃可能导致在崩溃期间文件的错误被主动写入，但文件系统它本身 —— 以及未被主动写入的文件 —— 确保是安全的。
• 回写 是第三种模式 —— 也是最不安全的日志模式。在回写模式下，像顺序模式一样，元数据会被记录到日志，但数据不会。与顺序模式不同，元数据和数据都可以以任何有利于获得最佳性能的顺序写入。这可以显著提高性能，但安全性低很多。尽管回写模式仍然保证文件系统本身的安全性，但在崩溃或崩溃之前写入的文件很容易丢失或损坏。

跟之前的 ext2 类似，ext3 使用 16 位内部寻址。这意味着对于有着 4K 块大小的 ext3 在最大规格为 16 TiB 的文件系统中可以处理的最大文件大小为 2 TiB。

ext4

Theodore Ts'o（是当时 ext3 主要开发人员）在 2006 年发表的 ext4，于两年后在 2.6.28 内核版本中被加入到了 Linux 主线。

（编辑：ASP站长网）