Linux下常见文件系统的对比

墨蓝 2022-05-05 08:59 523阅读 0赞

本文将对Linux下常见的几种文件系统进行对比，包括ext2、ext3、ext4、XFS和Btrfs，希望能帮助大家更好的选择合适的文件系统。

内容来自于网上找的资料以及自己的一些经验，能力有限，错误在所难免，仅供参考

**历史**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>文件系统</th> 
   <th>创建者</th> 
   <th>创建时间</th> 
   <th>最开始支持的平台</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Ext2" rel="nofollow">ext2</a></td> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9my_Card" rel="nofollow">Rémy Card</a></td> 
   <td>1993</td> 
   <td>Linux,<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/GNU_Hurd" rel="nofollow">Hurd</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/XFS" rel="nofollow">XFS</a></td> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_Graphics" rel="nofollow">SGI</a></td> 
   <td>1994</td> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/IRIX" rel="nofollow">IRIX</a>, Linux, FreeBSD</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Ext3" rel="nofollow">ext3</a></td> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Stephen_Tweedie" rel="nofollow">Dr. Stephen C. Tweedie</a></td> 
   <td>1999</td> 
   <td>Linux</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/ZFS" rel="nofollow">ZFS</a></td> 
   <td>Sun</td> 
   <td>2004</td> 
   <td>Solaris</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Ext4" rel="nofollow">ext4</a></td> 
   <td>众多开发者</td> 
   <td>2006</td> 
   <td>Linux</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Btrfs" rel="nofollow">Btrfs</a></td> 
   <td>Oracle</td> 
   <td>2007</td> 
   <td>Linux</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从创建时间可以看出他们所处的不同时代，因为Btrfs的实现借鉴自ZFS，所以这里也将ZFS列出来作为参考。

**大小限制**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>文件系统</th> 
   <th>最大文件名长度</th> 
   <th>最大文件大小</th> 
   <th>最大分区大小</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ext2</td> 
   <td>255 bytes</td> 
   <td>2 TB</td> 
   <td>16 TB</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ext3</td> 
   <td>255 bytes</td> 
   <td>2 TB</td> 
   <td>16 TB</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ext4</td> 
   <td>255 bytes</td> 
   <td>16 TB</td> 
   <td>1 EB</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>XFS</td> 
   <td>255 bytes</td> 
   <td>8 EB</td> 
   <td>8 EB</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Btrfs</td> 
   <td>255 bytes</td> 
   <td>16 EB</td> 
   <td>16 EB</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

最大文件和分区大小受格式化分区时所采用的块大小(block size)所影响，块越大，所支持的最大文件和分区越大，也越可能浪费磁盘空间，上表列出的数据基于4K的块大小。

**代码规模**

从代码规模可以看出文件系统的功能丰富程度以及复杂度，下面列出的数据来自于kernel-4.1-rc8，只是简单的用wc -l来统计，没有过滤空行、注释等。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>文件系统</th> 
   <th>源文件(.c)</th> 
   <th>头文件(.h)</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ext2</td> 
   <td>8363</td> 
   <td>1016</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ext3</td> 
   <td>16496</td> 
   <td>1567</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ext4</td> 
   <td>44650</td> 
   <td>4522</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>XFS</td> 
   <td>89605</td> 
   <td>15091</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Btrfs</td> 
   <td>105254</td> 
   <td>7933</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  Btrfs还在快速的开发过程中，代码行数可能还有比较大的变化
 *  XFS和Btrfs都使用了B-tree

**ext2**

ext的优点是比较简单，文件比较少时性能较好，比较适合文件少的场景，主要缺点如下

*  inode的数量是固定不变的，在格式化分区的时候可以指定inode和数据块所占空间的比例，但一旦格式化好，后续就没法再改变了
 *  当块大小为4K时，单个文件大小不能超过2TB，分区大小不能超过16TB(目前硬盘大小一般都只有几TB，所以也不是什么大问题，)
 *  一个目录下最多只能有32000个子目录
 *  由于目录里面存储的文件和子目录都是以线性方式来组织的，所以遍历目录效率不高，尤其当目录下文件个数达到10K以上规模的时候，速度会明显的变慢
 *  当底层的磁盘分区空间变大时(使用LVM时很常见)，ext2没法动态的扩展来使用增加的空间
 *  没有日志(Journal)功能，所以数据的安全性不高

**ext3**

ext3在ext2的基础上实现了下面几个功能，其它的都保持不变，即ext2的缺点ext3也有

*  支持日志(Journal)功能，数据的安全性较ext2有很大的提高
 *  当底层的分区空间变大时，ext3可以自动扩展来使用增加的空间
 *  使用HTree来组织目录里面的文件和子目录，使目录下的文件和子目录数不再受性能限制(数量超过10K也不会有性能问题)

**ext4**

ext4借鉴了当前成熟的一些文件系统技术，在ext3上增加了一些功能，并且对性能做了一些改进，主要变化如下

*  当块大小为4K时，支持的最大文件和最大分区大小分别达到了16TB和1EB
 *  不再受32000个子目录数的限制，支持不限数量的子目录个数
 *  支持Extents，提高了大文件的操作性能
 *  内部实现上支持一次分配多个数据块，较ext3的性能有所提高
 *  支持延时分配(即支持fallocate函数)(fallocate是libc的函数，在不支持该功能的文件系统上，libc会创建一个占用磁盘空间文件)
 *  支持在线快速扫描
 *  支持在线碎片整理(单个文件或者整个分区)
 *  日志(Journal)支持校验码(checksum)，数据的安全性进一步提高
 *  支持无日志(No Journaling)模式(ext3不支持该功能)，这样就和ext2一样，消除了写日志对性能的影响
 *  支持纳秒级的时间戳
 *  记录了文件的创建时间，由于相关的应用层工具还不支持，所以只能通过debug的方式看到文件的创建时间

这里是一个查看文件/etc/fstab创建时间的例子(文件存在/dev/sda1分区上)：

1.  dev@ubuntu:~$ ls -i /etc/fstab
2.  10747906 /etc/fstab
3.  dev@ubuntu:~$ sudo debugfs -R 'stat <10747906>' /dev/sda1
4.  Inode: 10747906 Type: regular Mode: 0644 Flags: 0x80000
5.  Links: 1 Blockcount: 8
6.  ctime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May 3 22:41:24 2015
7.  atime: 0x55d1b014:8bcf7b44 -- Mon Aug 17 05:57:40 2015
8.  mtime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May 3 22:41:24 2015
9.  crtime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May 3 22:41:24 2015
10. Size of extra inode fields: 28
11. EXTENTS: (0):46712815

Extents： 在最开始的ext2文件系统中，数据块都是一个一个单独管理的，inode中存有指向数据块的指针，文件占用了多少个数据块，inode里面就有多少个指针(多级)，想象一下一个1G的文件，4K的块大小，那么需要(1024 \* 1024)/4=262144个数据块，即需要262144个指针，创建文件的时候需要初始化这些指针，删除文件的时候需要回收这些指针，影响性能。现代的文件系统都支持Extents的功能，简单点说，Extent就是数据块的集合，以前一次分配一个数据块，现在可以一次分配一个Extent，里面包含很多数据块，同时inode里面只需要分配指向Extent的指针就可以了，从而大大减少了指针的数量和层级，提高了大文件操作的性能。

inode数量固定： 在ext2/3/4系列的文件系统中，inode的数量都是固定的，坏处是如果存很多小文件的话，有可能造成inode被用光，但磁盘还有很多剩余空间无法被使用的情况，不过它也有一个好处，就是一旦磁盘损坏，恢复起来要相对简单些，因为数据在磁盘上布局相对要固定简单。

**xfs**

和ext4相比，xfs不支持下面这些功能

*  不支持日志(Journal)校验码
 *  不支持无日志(No Journaling)模式
 *  不支持文件创建时间
 *  不支持数据日志(data journal)，只有元数据日志(metadata journal)

但xfs有下面这些特性

*  支持的最大文件和分区都达到了8EB
 *  inode动态分配，从而不受inode数量的限制，再也不用担心存储大量小文件导致inode不够用的问题了。
 *  更大的xattr(extended attributes)空间，ext2/3/4及btrfs都限制xattr的长度不能超过一个块(一般是4K)，而xfs可以达到64K
 *  内部采用Allocation groups机制，各个group之间没有依赖，支持并发操作，在多核环境的某些场景下性能表现不错
 *  提供了原生的dump和restore工具，并且支持在线dump

**btrfs**

btrfs是一个和ZFS类似的文件系统，支持的功能非常多，据说将来会替换ext4成为Linux下的默认文件系统。这里列举一些重要的功能

*  支持的最大文件和分区达到了16EB
 *  支持COW(copy on write)
 *  针对小文件和SSD做了优化
 *  inode动态分配
 *  支持子分区(Subvolumes)，子分区可以单独挂载
 *  支持元数据和数据的校验(crc32)
 *  支持压缩，去重
 *  支持多个磁盘和分区，可动态扩展
 *  支持LVM,RAID的功能(有了btrfs，就不再需要lvm和软raid了)
 *  增量备份和恢复
 *  支持快照
 *  将ext2/3/4转换成btrfs(反过来不行)

btrfs最大的缺点就是由于其COW的实现方式，导致碎片化问题比较严重，不太适合频繁写的场景，比如数据库、虚拟机的磁盘文件等。不过大部分场合不需要担心，btrfs有在线的碎片整理工具。

**如何选择**

下表仅供参考

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>文件系统</th> 
   <th>适用场景</th> 
   <th>原因</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ext2</td> 
   <td>U盘</td> 
   <td>U盘一般不会存很多文件，且U盘的文件在电脑上有备份，安全性要求没那么高，由于ext2不写日志（journal），所以写U盘性能比较好。当然由于ext2的兼容性没有fat好，目前大多数U盘格式还是用fat</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ext3</td> 
   <td>对稳定性要求高的地方</td> 
   <td>有了ext4后，好像没什么原因还要用ext3，ext4现在的问题是出来时间不长，还需要一段时间变稳定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ext4</td> 
   <td>小文件较少</td> 
   <td>ext系列的文件系统都不支持inode动态分配，所以如果有大量小文件需要存储的话，不建议用ext4</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>xfs</td> 
   <td>小文件多或者需要大的xttr空间，如<a href="https://docs.openstack.org/developer/swift/" rel="nofollow">openstack swift</a>将数据文件的元数据放在了xttr里面</td> 
   <td>xfs支持inode动态分配，所以不存在inode不够的情况，并且xttr的最大长度可以达到64K</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>btrfs</td> 
   <td>没有频繁的写操作，且需要btrfs的一些特性</td> 
   <td>btrfs虽然还不稳定，但支持众多的功能，如果你需要这些功能，且不会频繁的写文件，那么选择btrfs</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

另外，ext系列文件系统内部结构相对简单一些，出问题后恢复相对容易。

**结束语**

本篇没有比较它们的性能，在通常情况下，他们之间没有太大的性能差别，只有在特定的场景下，才能看出区别，如果对性能比较敏感，建议根据自己的使用场景来测试不同的文件系统，然后根据结果来选择。