贝壳的壳: linux下的文件系统选型

贝壳原来一直认为文件系统可以随便选，结果最近吃了两次苦头。一个是btrfs对虚拟机支持不良，另一个是特定情况下xfs性能比ext3高20倍。痛定思痛，打算列一下文件系统选型的方法和依据，欢迎拍砖。

下面我列一下纳入参考的文件系统，当然，ntfs就不要出来搞基了，玩嵌入式/光盘live之类的朋友也不要来凑热闹了阿。btrfs(简介), ext3, ext4(简介), jfs(简介), reiserfs, xfs，基本涵盖常用文件系统。最下面加入ntfs和zfs对比，实际上不参与选型。以下进制换算为1024，大小依次为KB,MB,GB,TB,PB,EB,ZB。

文件系统	btrfs	ext3	ext4	jfs	reiserfs	reiser4	xfs	ntfs	zfs
最大卷容量	16 EB	32 TB	1 EB (16TB)	32 PB	16 TB	??	16 EB	256 TB	16 EB
最大文件容量	16 EB	2 TB	16 TB	4 PB	8TB	8TB	8 EB	16 TB	16 EB
目录结构	B tree	list/tree	list/Htree	B tree	B+ tree	dancing B* tree	B+ tree	B+ tree	hash table
文件分配	extents	bitmap/table	bitmap/extents	bitmap/extents	bitmap	??	extents	bitmap	??
ACLS	Yes	Yes	Yes	Yes	No	No	Yes	ACLS only	Yes
checksum	Yes	No	journal	No	No	No	No	No	Yes
透明压缩	Yes	No	No	No	No	Plugin	No	Yes	Yes
透明加密	No	No	No	No	No	Plugin	No	Yes	Yes
online defrag	Yes	No	Yes	Yes	No	Yes	Yes	Yes	Yes
shrink	Yes	Yes	Yes	No	Offline resize	Offline	No	Yes	No
特性	SSD							Stream

首先，文件系统选择上要考虑现实性和支持情况。如果你希望得到广泛的支持，在移动硬盘上被多个系统挂载，应用于老内核，或者不使用/boot分区，那么可选项目基本只有ext3。作为老牌文件系统，ext3的支持是最广泛的，工具组也相对全面。无论其他文件系统拥有多大的优势，在现实情况考虑下往往会败给ext3，基本就是因为广泛的使用和支持。另外，btrfs我所知还没有fsck工具，出了问题全看RP，而且在上面使用虚拟机速度特别慢。reiser4作者目前在监狱中，出了问题能否获得支持全靠RP。jfs用的人相对xfs少一些，也比较不活跃。这些虽然并不出现在数据上，但是最好特别注意。

其次，文件系统的选择要考虑必要特性。例如如果你希望使用SSD支持，你可选的项目就只有btrfs。如果需要透明加密，那只有reiser4。当然，在决定必要特性前，请仔细考虑，自己是否真的必须使用这些特性。为了一个不必须的特性选用一个不合适的文件系统会付出极大代价。linux下文件系统还是比较单调和弱小了点，基本不支持透明压缩，全部不支持透明加密，ext两兄弟更是没有完全实现Btree目录结构（ext4其实有用Htree，一种改过的Btree，不过为了兼容ext3，好像升级来的目录不使用）。不过好佳在，大部分都支持online defrag/growing，否则不如一头撞死算了。ext3/4, btrfs是支持shrink的，但是jfs, xfs只支持growing，reiser4必须offline shrink。xfs的growing在1T（一说2T）以上有点问题，非64位内核在1T以上可能无法创建inode。本来是会在1T内创建inode，使用高位空间。但是growing的时候可能地位空间已经满了，会报没有空间的错误。解决方案是将老文件移出再移回，或者看看用inode64参数是否解决。如果你确定需要shrink，最佳选项是使用ext4。另外补充一点，ntfs的online shrink也不是完美无缺，他只能shrink到未被使用的地方。也就是说，如果有不可移动文件，有可能就无法shrink到以下内容。

第三个要确定的问题，是你的系统服务的数据大小。即使是表里面最小的ext3，一次也可以使用2T的卷。贝壳全部数据加起来大概2T多一点，家用绝对不成问题。然而作为商业用途，动辄数百T的数据正常到不能再正常，ext3就可以直接出局了，同理reiser4也直接出局。jfs是唯一没有达到EB级别的文件系统，不过32PB也可堪一用，大部分商业系统都到不了这个量级。在管理大型卷的时候，bitmap比extents会消耗更大的空间进行管理。因此不支持bitmap的文件系统可以少考虑，ext3/4虽说支持extents，但是ext3中默认不开启，必须手工指定挂载参数。ext4中一旦启用extents，就无法兼容于ext3。

最后是性能考量。在贝壳在公司的测试中，xfs会性能高于ext3达20倍。因为根据这篇文章，xfs的随机写性能比ext兄弟差很多，但是顺序写的性能比ext要强上无数倍。我们的业务大部分情况下是顺序写，因此差异非常明显。所以，当你的特性要求差不多的时候，性能和稳定性是另一个考量因素。

文件系统	btrfs	ext3	ext4	jfs	reiserfs	xfs
全填充速率	1m22.083s	1m34.821s	1m15.495s	1m5.819s	1m34.310s	1m38.953s
全填充利用率	0.8945	0.9065	0.9047	0.9959	0.9927	0.9918
大文件效率	14.676	17.435	10.7255	13.7493	14.319	12.7093
大文件删除	2.693	5.262	2.422	0.037	1.802	0.296
小文件效率	9.949	5.131	2.7866	40.949	13.605	8.978
小文件删除	6.737	10.7227	1.39	16.116	2.756	5.653
循环列文件	0.124	0.089	0.002	0.094	0.19	0.099
大文件read	2046206	1931451	1946598	2003912	1537752	1970242
大文件write	1279625	565960	926461	962617	446841	812466
大文件rndread	2012771	1926287	1934420	1985273	1490199	1976056
大文件rndwrite	1380404	1187010	1294689	1446011	1308210	1384804
小文件read	2375893	2934815	3019732	2708437	2559371	2236197
小文件write	926602	526469	681710	844237	395810	939536
小文件rndread	3324647	3544566	2702282	3737551	4045575	2666753
小文件rndwrite	910277	1525970	1244240	1910756	1790393	1311261

以上数据，在公司的debian testing上测定。机器型号Dell Inspiron 560s，CPU Dual-Core E5700，4G内存，硬盘WDC WD3200AAKS-75L9A0。系统是debian testing，内核2.6.39-2-amd64。全填充是用time dd if=/dev/zero of=abc来测试填满一个分区的速度和容量。大文件是四个ISO文件，共1.3G，从tmpfs上复制到目标设备上的时间平均值，三次平均。小文件是pypy/python2.7/linux kernel2.6.39所有源码，总计49242个文件，629M。从tmpfs上复制到目标设备的时间平均值，三次平均。循环列文件是通过time find .测试效率。下面测试单位为bytes/sec，是iozone测试结果。

首先是文件利用率，btrfs/ext3/ext4会消耗10%左右的空间作为系统消耗。如果你需要比较高的磁盘利用率，请不要考虑这三种系统。也许你会认为，放文件又不会放满，必须空出部分来才能减少文件碎片。实际上，被消耗掉的空间也并不是白白消耗，你的所有数据，都会增加10%的系统消耗空间。因此ntfs的防碎片阀值（为了防止碎片化，磁盘使用率不应当高于）大约是85%，而ext3就只有75%-80%。

其次是大文件效率，除了ext3不予考虑外，其余系统都过的去。btrfs/ext4在删除大文件的时候耗时略多，大概是和管理特性有关。

第三是小文件效率。如果你需要用小文件，千万不要考虑jfs，慢到我无法相信。ext4比btrfs和xfs快了四倍左右，非常适合操作大量小文件。例如源码编译，有blog说ext4比xfs快数倍。

最后是循环列文件效率，同样，ext4一枝独秀，其余水准相去不远。

综合以上几个考量，linux中比较推荐的文件系统是ext4, xfs两种。大量文件存储用xfs，小规模文件密集使用用ext4。在特定情况下，可以使用btrfs（它的特性非常全）或者jfs（小文件操作慢，但是随机读写快）。兼容考量下，可以用ext3。不推荐使用reiser4。

参考：

贝壳的壳

2011年8月14日星期日

linux下的文件系统选型

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