（3）Linux效能調優之Linux檔案系統

小蟲說發表於2018-12-24

Linux

一、前言

前面我們談了Linux的程式管理和記憶體體系：

（1）Linux效能調優之Linux程式管理

（2）Linux效能調優之Linux記憶體體系

這一節我們將談下Linux的檔案系統

二、概覽

Linux作為開源作業系統，最大的優勢是它可以支援各類檔案系統。現代的Linux核心能夠支援幾乎每種檔案系統，從基礎的FAT到高效能的日誌檔案系統（JFS）都能可以。

因為目前Linux的發行版本中，Readhat系（開源版本是Centos）和debian系（大家熟知的Ubuntu）比較流行，所以後面會重點介紹下Readhat系用的xfs檔案系統和ext4檔案系統。

三、虛擬檔案系統

虛擬檔案系統（VFS）是一個處於使用者程式和各類檔案系統之間的抽象介面層，VFS提供訪問檔案系統物件的通用物件模型（例如，i-node、檔案物件、頁快取、）和方法，它對使用者程式隱藏了各種檔案系統的差別。正是因為有VFS，所以使用者程式不用關心使用的是那種檔案系統，也更不需要知道各個檔案系統應該使用哪個系統呼叫。下圖顯示了VFS的概況：

在開始介紹各個檔案系統前，先介紹一個概念：日誌

在非日誌檔案系統上，當執行寫操作時，核心先修改檔案系統的後設資料，然後寫入實際的使用者資料。這個操作可能會丟失資料的完整性。如果在寫入檔案系統後設資料的時候系統突然崩潰，檔案系統的一致性就可能被破壞。fsck會在下次啟動時檢查所有的後設資料，並修復檔案系統上的不一致，但是如果卷特別大的時候，這個修復過程就會變得很漫長，只能乾等著fsck工作完之後才能使用這系統。

日誌檔案系統解決了這個問題，在寫入實際的檔案系統之前，他先把要修改的資料寫入一個叫做日誌區域（journal area）的地方。日誌區域可以在檔案系統上，也可以不在檔案系統上。寫入日誌區域的資料叫做日誌記錄（joutnal log）。如果系統支援的話，它內容包括檔案系統後設資料和真正的檔案資料。

因為在寫入真正使用者資料之前要寫記錄日誌，和非日誌檔案系統相比會產生效能開銷。維護資料高度一致性所犧牲的效能開銷大小，取決於在寫入使用者資料之前要寫入多少資訊到磁碟上。

四、常見的檔案系統

4.1 Ext2

Ext2是一個簡單和快速的檔案系統，沒有日誌功能。下圖展示了Ext2的檔案系統資料結構：

檔案系統由一個引導扇區（boot sector）開始，後面跟著塊組（block groups）。整個檔案系統被分成許多小塊組來獲得高效能，因為i-node表和儲存使用者資料的資料塊駐留在較前的磁碟，所以節約定址時間。一個塊組包含如下專案：

+ 超級塊（Super block） 磁碟上資訊存放在這裡，超級塊的副本儲存在每個塊組的頂部。
+ 塊組描述符（Block group descriptor） 塊組的資訊存在這裡
+ 資料塊點陣圖（Data block bitmaps） 空閒塊管理
+ i-node點陣圖（i-node bitmaps） 空閒i-node管理
+ i-node表（i-node tables） 存放i-node表。每個檔案都有相應的i-node表，存放檔案的後設資料，譬如檔案
模式、uid、gid、atime、ctime、mtime、dtime和資料塊的指標。
+ 資料塊（Data blocks） 存放真正的使用者資料。
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如何訪問資料？

為了找到組成檔案的資料塊，核心首先搜尋檔案的i-node。在接到程式開啟/var/log/messages 檔案的請求時，核心分析檔案路徑，然後搜尋/（根目錄）的條目，其中包含了它自己目錄下的檔案和目錄資訊。這時候，核心會找到/var目錄的i-node，然後再來看看/var目錄，它也有它自己目錄下的檔案和目錄的資訊。核心會一直執行上面的過程，直到找到/var/log/messages檔案的i-node。Linux核心使用物件快取，比如目錄條目快取或者i-node快取來加速尋找i-node的過程。

一旦核心找到了檔案的i-node，然後就試著訪問真正的使用者資料塊。如前面解釋的那樣，inode有資料塊的指標。參照它，核心就能獲得資料塊了。對於大檔案來說，Ext2提供到資料塊的直接/非直接參照。下圖展示了它是如何工作的：

4.2 Ext3

Ext3和Ext2的基本結構是相似的，主要區別是Ext3支援日誌。Ext3有如下亮點：

1.可用性： Ext3採用一致性的方式把資料寫入磁碟，所以，當系統出現意外當機（斷電或者系統崩潰），
伺服器再次啟動時不用檢查資料的一致性。可以把系統恢復時間從幾小時縮短到幾秒鐘！
2.資料完整性： 在mount命令中使用data=journal開啟日誌記錄模式，所有的資料，包括檔案和後設資料都會記錄日誌！
3.速度： 通過指定日誌模式data=writeback，你可以在你的業務場景下，在速度和完整性之間做權衡。
在有大量同步寫的時候，這個效果會十分顯著。
4.靈活性： 把現有的Ext2很簡單就能升級到Ext3，而且不用重新格式化。通過執行tune2fs命令和修改/etc/fstab檔案，
你能夠很簡單的把Ext2升級到Ext3檔案系統！同樣，在關掉Ext3日誌的情況下，Ext3能夠作為Ext2檔案系統進行掛載。
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Ext3支援3種日誌模式:

1. 日誌（journal） 通過記錄檔案資料和後設資料，這個模式提供了最高的資料一致性。它的
效能消耗也是最大的。
2. 有序（ordered） 該模式下只記錄後設資料。然而，優先保證寫入檔案資料！
3. 回寫（writeback） 這個日誌選項提供最快的資料訪問能力，但是犧牲了資料的一致性！
保證資料一致性的後設資料也會被記錄，但是沒有處理確定的檔案資料，在系統崩潰的時
候，這可能導致舊的資料出現在檔案中。
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