Ext2/ Ext3 /Ext4 性能比拼

Linux kernel 自 2.6.28 开始正式支持新的文件系统 Ext4。 Ext4 是 Ext3 的改进版，修改了 Ext3 中部分重要的数据结构，而不仅仅像 Ext3 对 Ext2 那样，只是增加了一个日志功能而已。Ext4 可以提供更佳的性能和可靠性，还有更为丰富的功能：

1. 与 Ext3 兼容。 执行若干条命令，就能从 Ext3 在线迁移到 Ext4，而无须重新格式化磁盘或重新安装系统。原有 Ext3 数据结构照样保留，Ext4 作用于新数据，当然，整个文件系统因此也就获得了 Ext4 所支持的更大容量。

2. 更大的文件系统和更大的文件。 较之 Ext3 目前所支持的最大 16TB 文件系统和最大 2TB 文件，Ext4 分别支持 1EB（1,048,576TB， 1EB=1024PB， 1PB=1024TB）的文件系统，以及 16TB 的文件。

3. 无限数量的子目录。 Ext3 目前只支持 32,000 个子目录，而 Ext4 支持无限数量的子目录。

4. Extents。 Ext3 采用间接块映射，当操作大文件时，效率极其低下。比如一个 100MB 大小的文件，在 Ext3 中要建立 25,600 个数据块（每个数据块大小为 4KB）的映射表。而 Ext4 引入了现代文件系统中流行的 extents 概念，每个 extent 为一组连续的数据块，上述文件则表示为“该文件数据保存在接下来的 25,600 个数据块中”，提高了不少效率。

5. 多块分配。 当 写入数据到 Ext3 文件系统中时，Ext3 的数据块分配器每次只能分配一个 4KB 的块，写一个 100MB 文件就要调用 25,600 次数据块分配器，而 Ext4 的多块分配器“multiblock allocator”（mballoc） 支持一次调用分配多个数据块。

6. 延迟分配。 Ext3 的数据块分配策略是尽快分配，而 Ext4 和其它现代文件操作系统的策略是尽可能地延迟分配，直到文件在 cache 中写完才开始分配数据块并写入磁盘，这样就能优化整个文件的数据块分配，与前两种特性搭配起来可以显著提升性能。

7. 快速 fsck。 以前执行 fsck 第一步就会很慢，因为它要检查所有的 inode，现在 Ext4 给每个组的 inode 表中都添加了一份未使用 inode 的列表，今后 fsck Ext4 文件系统就可以跳过它们而只去检查那些在用的 inode 了。

8. 日志校验。 日志是最常用的部分，也极易导致磁盘硬件故障，而从损坏的日志中恢复数据会导致更多的数据损坏。Ext4 的日志校验功能可以很方便地判断日志数据是否损坏，而且它将 Ext3 的两阶段日志机制合并成一个阶段，在增加安全性的同时提高了性能。

9. “无日志”（No Journaling）模式。 日志总归有一些开销，Ext4 允许关闭日志，以便某些有特殊需求的用户可以借此提升性能。

10. 在线碎片整理。 尽管延迟分配、多块分配和 extents 能有效减少文件系统碎片，但碎片还是不可避免会产生。Ext4 支持在线碎片整理，并将提供 e4defrag 工具进行个别文件或整个文件系统的碎片整理。

11. inode 相关特性。 Ext4 支持更大的 inode，较之 Ext3 默认的 inode 大小 128 字节，Ext4 为了在 inode 中容纳更多的扩展属性（如纳秒时间戳或 inode 版本），默认 inode 大小为 256 字节。Ext4 还支持快速扩展属性（fast extended attributes）和 inode 保留（inodes reservation）。

12. 持久预分配（Persistent preallocation）。 P2P 软件为了保证下载文件有足够的空间存放，常常会预先创建一个与所下载文件大小相同的空文件，以免未来的数小时或数天之内磁盘空间不足导致下载失败。 Ext4 在文件系统层面实现了持久预分配并提供相应的 API（libc 中的 posix_fallocate()），比应用软件自己实现更有效率。

13. 默认启用 barrier。 磁 盘上配有内部缓存，以便重新调整批量数据的写操作顺序，优化写入性能，因此文件系统必须在日志数据写入磁盘之后才能写 commit 记录，若 commit 记录写入在先，而日志有可能损坏，那么就会影响数据完整性。Ext4 默认启用 barrier，只有当 barrier 之前的数据全部写入磁盘，才能写 barrier 之后的数据。（可通过 “mount -o barrier=0″ 命令禁用该特性。）

Ext4 随 Linux kernel 2.6.28 正式发布已有数周，一直苦于找不到测试用的磁盘，正巧年前 Intel 送来几块 SSD 测试样品，这两天就顺带把 SSD 也测了。测试所使用的 Linux 内核版本为 2.6.28.2，测试工具为 IOzone 3.318。

IOzone 测试命令为：

time /opt/iozone/bin/iozone -a -s 4G -q 256 -y 4 >|/root/ext4-iozone-stdout.txt

上述命令的说明如下：

Auto Mode
File size set to 4194304 KB
Using Maximum Record Size 256 KB
Using Minimum Record Size 4 KB
Command line used: /opt/iozone/bin/iozone -a -s 4G -q 256 -y 4
Output is in Kbytes/sec
Time Resolution = 0.000001 seconds.
Processor cache size set to 1024 Kbytes.
Processor cache line size set to 32 bytes.
File stride size set to 17 * record size.

测试结果除了表明 Intel SSD 的读写速度快得令人咋舌之外，还可以说明 Ext4 的各方面性能都超过了上一代 Ext3，甚至在大多数情况下，比没有日志功能的 Ext2 还要快出不少：

	reclen	write	rewrite	read	reread	random read	random write	bkwd read	record rewrite	stride read	fwrite	frewrite	fread	freread
Ext2 real 28m12.718s user 0m10.725s sys 5m8.265s	4	218,680	216,596	630,248	245,802	88,700	138,065	106,112	1,882,623	73,538	214,175	218,364	566,570	247,381
8	215,308	218,690	556,064	246,260	154,680	150,052	188,397	2,462,367	130,896	217,157	216,647	583,808	248,397
16	216,457	216,843	575,046	245,701	258,660	158,750	306,842	2,654,320	220,939	216,061	218,140	598,174	246,581
32	217,925	214,289	537,976	243,081	394,013	167,002	464,240	2,397,831	340,775	217,434	219,353	583,463	246,341
64	215,460	219,256	527,919	244,362	503,227	162,917	609,546	2,546,079	456,243	216,875	217,692	571,707	244,264
128	219,081	216,173	540,831	242,526	609,750	161,442	721,701	2,656,729	551,122	217,780	217,427	579,271	242,291
256	216,091	217,631	565,111	245,157	654,274	173,955	870,547	2,574,261	634,835	216,638	219,693	563,735	247,101
Ext3 real 27m42.449s user 0m11.529s sys 7m17.049s	4	218,242	213,039	482,132	243,986	88,007	156,926	105,557	1,540,739	75,010	216,028	216,432	522,704	243,385
8	218,390	217,915	544,892	244,979	152,424	190,454	181,486	1,945,603	130,737	218,364	216,431	530,853	243,222
16	218,083	217,683	561,038	244,506	255,244	200,032	300,212	2,096,495	221,329	216,930	216,661	514,177	244,069
32	216,258	217,013	569,246	243,811	389,745	198,275	446,462	1,934,853	338,785	216,809	219,296	530,634	243,446
64	218,850	217,711	577,529	243,725	497,689	201,693	589,535	2,036,412	450,449	219,387	214,900	514,353	244,809
128	220,234	215,687	530,519	241,615	608,244	199,619	714,295	1,992,168	553,022	217,828	218,454	513,596	241,510
256	216,011	220,188	592,578	242,548	642,341	199,408	834,240	2,092,959	624,043	217,682	218,165	529,358	242,878
Ext4 real 27m3.485s user 0m10.847s sys 6m9.578s	4	221,823	216,992	532,488	273,668	85,210	183,195	103,036	1,862,817	74,781	225,841	220,620	523,799	272,848
8	226,028	218,580	561,960	272,036	154,972	216,505	178,482	2,135,372	132,506	227,423	215,766	641,021	271,328
16	222,241	217,746	547,548	270,895	260,899	223,895	295,288	2,095,966	223,135	226,055	216,210	621,287	273,475
32	220,121	213,025	240,426	247,628	345,210	175,977	451,631	2,145,351	342,236	225,796	213,427	598,331	269,759
64	223,983	214,437	308,696	551,577	754,941	225,897	523,130	2,218,016	448,086	227,030	214,706	582,795	272,323
128	222,576	217,816	624,636	271,293	644,500	224,997	720,468	2,308,315	582,943	225,971	217,373	552,335	274,237
256	221,202	222,238	541,685	270,898	671,748	228,085	845,494	2,215,381	643,715	225,411	219,166	580,066	273,342
														Kbytes/sec

注：
1. 关于 IOzone 测试方法，参考 Ben Martin 的文章：IOzone for filesystem performance benchmarking
2. 关于 Ext4 的相关内容，参考 Kernel Newbies 专页： http://kernelnewbies.org/Ext4