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               Linux主流文件系统格式



     文件系统指文件存在的物理空间。在Linux系统中,每个分区都是一个文件系统,都有自己的目录层次结构。Linux的最重要特征之一就是支持多种文件系统,这样它更加灵活,并可以和许多其它种操作系统共存。Virtual File System(虚拟文件系统)使得Linux可以支持多个不同的文件系统。由于系统已将Linux文件系统的所有细节进行了转换,所以Linux核心的其它部分及系统中运行的程序将看到统一的文件系统。Linux的虚拟文件系统允许用户同时能透明地安装许多不同的文件系统。虚拟文件系统是为Linux用户提供快速且高效的文件访问服务而设计的。
随着Linux的不断发展,它所支持的文件格式系统也在迅速扩充。特别是Linux 2.4内核正式推出后,出现了大量新的文件系统,其中包括日志文件系统ext3、ReiserFS、XFSJFS和其它文件系统。Linux系统核心可以支持十多种文件系统类型:JFS、 ReiserFS、ext、ext2、ext3、ISO9660、XFS、Minx、MSDOS、UMSDOS、VFAT、NTFS、HPFS、NFS、 SMB、SysV、PROC等。
下面介绍Linux下几个最常用的文件系统,其中包括ext、ext2、ext3、JFS、XFS、ReiserFS等。
ext
ext是第一个专门为开发的Linux的文件系统类型,叫做扩展文件系统。它是1992年4月完成的,对Linux早期的发展产生了重要作用。但是,由于其在稳定性、速度和兼容性上存在许多缺陷,现在已经很少使用了。
ext2
ext2是为解决ext文件系统的缺陷而设计的可扩展的、高性能的文件系统,它又被称为二级扩展文件系统。ext2是1993年发布的,设计者是Rey Card。它是Linux文件系统类型中使用最多的格式,并且在速度和CPU利用率上较为突出,是GNU/Linux系统中标准的文件系统。它存取文件的性能极好,对于中、小型的文件更显示出优势,这主要得益于其簇快取层的优良设计。ext2可以支持256字节的长文件名,其单一文件大小和文件系统本身的容量上限与文件系统本身的簇大小有关。在常见的Intel x86兼容处理器的系统中,簇最大为4KB,单一文件大小上限为2048GB, 而文件系统的容量上限为6384GB。尽管Linux可以支持种类繁多的文件系统,但是2000年以前几乎所有的Linux发行版都使用ext2作为默认的文件系统。 
ext2也有一些问题。由于它的设计者主要考虑的是文件系统性能方面的问题,而在写入文件内容的同时,并没有写入文件的meta- data(和文件有关的信息,例如权限、所有者及创建和访问时间)。换句话说,Linux先写入文件的内容,然后等到有空的时候才写入文件的meta- data。如果出现写入文件内容之后,但在写入文件的meta-data之前系统突然断电,就可能造成文件系统就会处于不一致的状态。在一个有大量文件操作的系统中,出现这种情况会导致很严重的后果。另外,由于目前Linux的 2.4内核所能使用的单一分割区最大只有2048GB,尽管文件系统的容量上限为6384G,但是实际上能使用的文件系统容量最多也只有2048GB。
ext3
在讲解ext3、JFS、XFS、ReiserFS日志格式文件系统之前,先介绍一些日志式文件系统基础。
日志式文件系统起源于Oracle、Sybase等大型数据库。由于数据库操作往往是由多个相关的、相互依赖的子操作组成,任何一个子操作的失败都意味着整个操作的无效性,对数据库数据的任何修改都要恢复到操作以前的状态。Linux日志式文件系统就是由此发展而来的。日志文件系统通过增加一个叫做日志的、新的数据结构来解决这个“fsck”问题。这个日志是位于磁盘上的结构。在对元数据做任何改变以前,文件系统驱动程序会向日志中写入一个条目,这个条目描述了它将要做些什么,所以日志文件具有可伸缩性和健壮性。在分区中保存日志记录文件好处是:文件系统写操作首先是对记录文件进行操作,若整个写操作由于某种原因(如系统掉电)而中断,则在下次系统启动时就会读日志记录文件的内容,恢复到没有完成的写操作,这个过程一般只需要两三分钟时间。
ext3是由开放资源社区开发的日志文件系统,早期主要开发人员是Stephen Tweedie。ext3被设计成是ext2的升级版本,尽可能方便用户从ext2向ext3迁移。ext3在ext2的基础上加入了记录元数据的日志功能,努力保持向前和向后的兼容性,也就是在保有目前ext2的格式之下再加上日志功能。和ext2相比,ext3提供了更佳的安全性,这就是数据日志和元数据日志之间的不同。ext3是一种日志式文件系统,日志式文件系统的优越性在于由于文件系统都有快取层参与运作,如不使用时必须将文件系统卸下,以便将快取层的资料写回磁盘中。因此,每当系统要关机时,必须将其所有的文件系统全部卸下后才能进行关机。如果在文件系统尚未卸下前就关机 (如停电),那么重开机后就会造成文件系统的资料不一致,故这时必须做文件系统的重整工作,将不一致与错误的地方修复。然而,这个过程是相当耗时的,特别是容量大的文件系统不能百分之百保证所有的资料都不会流失,特别在大型的服务器上可能会出现问题。除了与ext2兼容之外,ext3还通过共享ext2的元数据格式继承了ext2的其它优点。比如,ext3用户可以使用一个稳固的fsck工具。由于ext3基于ext2的代码,所以它的磁盘格式和ext2 的相同,这意味着一个干净卸装的ext3文件系统可以作为ext2文件系统毫无问题地重新挂装。如果现在使用的是ext2文件系统,并且对数据安全性要求很高,这里建议考虑升级使用ext3。
ext3最大的缺点是,它没有现代文件系统所具有的、能提高文件数据处理速度和解压的高性能。此外,使用ext3文件系统要注意硬盘限额问题,在这个问题解决之前,不推荐在重要的企业应用上采用ext3+Disk Quota(磁盘配额)。  
JFS
JFS是一种提供日志的字节级文件系统。该文件系统主要是为满足服务器(从单处理器系统到高级多处理器和群集系统)的高吞吐量和可靠性需求而设计、开发的。JFS文件系统是为面向事务的高性能系统而开发的。在IBM的AIX系统上,JFS已经过较长时间的测试,结果表明它是可靠、快速和容易使用的。 2000年2月,IBM宣布在一个开放资源许可证下移植Linux版本的JFS文件系统。JFS也是一个有大量用户安装使用的企业级文件系统,具有可伸缩性和健壮性。与非日志文件系统相比,它的突出优点是快速重启能力,JFS能够在几秒或几分钟内就把文件系统恢复到一致状态。虽然JFS主要是为满足服务器(从单处理器系统到高级多处理器和群集系统)的高吞吐量和可靠性需求而设计的,但还可以用于想得到高性能和可靠性的客户机配置,因为在系统崩溃时JFS能提供快速文件系统重启时间,所以它是因特网文件服务器的关键技术。使用数据库日志处理技术,JFS能在几秒或几分钟之内把文件系统恢复到一致状态。而在非日志文件系统中,文件恢复可能花费几小时或几天。
JFS的缺点是,使用JFS日志文件系统性能上会有一定损失,系统资源占用的比率也偏高,因为当它保存一个日志时,系统需要写许多数据。
ReiserFS
ReiserFS的第一次公开亮相是在1997年7月23日,Hans Reiser把他的基于平衡树结构的ReiserFS文件系统在网上公布。ReiserFS 3.6.x(作为Linux 2.4一部分的版本)是由Hans Reiser和他的Namesys开发组共同开发设计的。SuSE Linux也对它的发展起了重大的帮助。Hans和他的组员们相信最好的文件系统是能够有助于创建独立的共享环境或命名空间的文件系统,应用程序可以在其中更直接、有效和有力地相互作用。为了实现这一目标,文件系统就应该满足使用者对性能和功能方面的需要。那样使用者就能够继续直接地使用文件系统,而不必建造运行在文件系统之上(如数据库之类)的特殊目的层。ReiserFS 使用了特殊的、优化的平衡树(每个文件系统一个)来组织所有的文件系统数据,这为其自身提供了非常不错的性能改进,也能够减轻文件系统设计上的人为约束。另一个使用平衡树的好处就是,ReiserFS 能够像其它大多数的下一代文件系统一样,根据需要动态地分配索引节,而不必在文件系统创建时建立固定的索引节。这有助于文件系统更灵活地适应面临的各种存储需要,同时提供附加的空间有效率。
ReiserFS被看作是一个更加激进和现代的文件系统。传统的Unix文件系统是按磁盘块来进行空间分配的,对于目录和文件等的查找使用了简单的线性查找。这些设计在当时是合适的,但随着磁盘容量的增大和应用需求的增加,传统文件系统在存储效率、速度和功能上已显得落后。在 ReiserFS的下一个版本-Reiser 4,将提供了对事务的支持。ReiserFS突出的地方还在于其设计上着眼于实现一些未来的插件程序,这些插件程序可以提供访问控制列表、超级链接,以及一些其它非常不错的功能。在http://www.namesys.com/v4/v4.html中,有Reiser 4的介绍和性能测试。
ReiserFS一个最受批评的缺点是,每升级一个版本都将要将磁盘重新格式化一次,而且它的安全性能和稳定性与ext3相比有一定的差距。因为 ReiserFS文件系统还不能正确处理超长的文件目录,如果创建一个超过768字符的文件目录,并使用ls或其它echo命令,将有可能导致系统挂起。在http://www.namesys.com/ ;网站可以了解关于ReiserFS的更多信息。
XFS
XFS是一种非常优秀的日志文件系统,它是由SGI于20世纪90年代初开发的。XFS推出后被业界称为先进的、最具可升级性的文件系统技术。它是一个全 64位、快速、稳固的日志文件系统,多年用于SGI的IRIX操作系统。当SGI决定支持Linux社区时,它将关键的基本架构技术授权于Linux,以开放资源形式发布了他们自己拥有的XFS的源代码,并开始进行移植。此项工作进展得很快,目前已进入beta版阶段。作为一个64位文件系统,XFS可以支持超大数量的文件(9000×1GB),可在大型2D和3D数据方面提供显著的性能。XFS有能力预测其它文件系统薄弱环节,同时提供了在不妨碍性能的情况下增强可靠性和快速的事故恢复。
XFS可为Linux和开放资源社区带来如下新特性:
◆可升级性 XFS被设计成可升级,以面对大多数的存储容量和I/O存储需求;可处理大型文件和包含巨大数量文件的大型目录,以满足21世纪快速增长的磁盘需求。 XFS有能力动态地为文件分配索引空间,使系统形成高效支持大数量文件的能力。在它的支持下,用户可使用的文件远远大于现在最大的文件系统。
◆优秀的I/O 性能典型的现代服务器使用大型的条带式磁盘阵列,以提供达数GB/秒的总带宽。XFS可以很好地满足I/O请求的大小和并发I/O请求的数量。XFS可作为 root文件系统,并被LILO支持,也可以在NFS服务器上使用,并支持软件磁盘阵列(RAID)和逻辑卷管理器(Logical Volume Manager,LVM)。SGI最新发布的XFS为1.0.1版,在http://oss.sgi.com/projects/XFS/ ;可以下载它。
由于XFS比较复杂,实施起来有一些难度(包括人员培训等),所以目前XFS主要应用于Linux企业应用的高端。
其它文件系统
上面介绍了六种主要文件系统,下面简单介绍一些其它文件系统。
◆Minix 是Linux支持的第一个文件系统,对用户有很多限制,性能低下,有些没有时间标记,文件名最长l4个字符。Minix文件系统最大缺点是只能使用64MB的硬盘分区,所以目前已经没有人使用它了。
◆Xia 是Minix文件系统修正后的版本,在一定程度上解决了文件名和文件系统大小的局限。但是没有新的特色,目前很少有人使用。
◆ISO9660 标准CDROM文件系统,通用的Rock Ridge增强系统,允许长文件名。
◆NFS Sun公司推出的网络文件系统,允许多台计算机之间共享同一文件系统,易于从所有这些计算机上存取文件。
◆SysV 是System V/Coherent在Linux平台上的文件系统。
除了上面这些Linux文件系统外,Linux也可以支持基于Windows和Netware的文件系统,例如UMSDOS、 MSDOS、VFAT、HPFS、SMB和NCPFS等。兼容这些文件系统对Linux用户也是很重要的,毕竟在桌面环境下Windows文件系统还是很流行的,而Netware网络也有许多用户,Linux用户也需要共享这些文件系统的数据。
◆UMSDOS Linux下的扩展MSDOS文件系统驱动,支持长文件名、所有者、允许权限、连接和设备文件。允许一个普通的MSDOS文件系统用于Linux,而且无须为它建立单独的分区。
◆MSDOS 是在DOS、Windows和某些OS/2操作系统上使用的一种文件系统,其名称采用“8+3”的形式,即8个字符的文件名加上3个字符的扩展名。
◆VFAT 是Windows 9x和Windows NT/2000下使用的一种DOS文件系统,其在DOS文件系统的基础上增加了对长文件名的支持。
◆HPFT 高性能文件系统(High Performance File System,HPFS)是微软的LAN Manager中的文件系统,同时也是IBM的LAN Server和OS/2的文件系统。HPFT能访问较大的硬盘驱动器,提供了更多的组织特性,并改善了文件系统的安全特性。
◆SMB 是一种支持Windows for Workgroups、Windows NT和Lan Manager的基于SMB协议的网络操作系统。
◆NCPFS 是一种Novell NetWare使用的NCP协议的网络操作系统。
◆NTFS 是Windows NT/2000操作系统支持的、一个特别为网络和磁盘配额、文件加密等管理安全特性设计的磁盘格式。
文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上文件的方法和数据结构,即在磁盘上组织文件的方法。文件系统是整个操作系统中重要的组成部分,是操作系统正常运行的基本条件。了解Linux文件系统对于深入学习、研究Linux是非常重要的
 

 

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