第 4 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)，即 ext4，是下一代的日志文件系統(tǒng)，它與上一代文件系統(tǒng) ext3 是向后兼容的。盡管 ext4 目前還不是標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)，但它將成為大部分下一代 Linux? 發(fā)行版的默認(rèn)文件系統(tǒng)。了解 ext4，以及它為什么將成為您最喜歡的新文件系統(tǒng)。
Linux 內(nèi)核的每次發(fā)行都伴隨一些驚喜，今年 12 月份發(fā)行的 2.6.28 也不例外。這個(gè)發(fā)行版是首個(gè)穩(wěn)定的 ext4 文件系統(tǒng)（它還包含其他出色的特性，比如正在開(kāi)發(fā)的 Btrfs）。這個(gè)下一代擴(kuò)展文件系統(tǒng)提供更好的伸縮性、可靠性和許多新功能。ext4 的伸縮性如此之大，以致的文件系統(tǒng)所用的磁盤(pán)空間將達(dá)到 100 萬(wàn) TB。
擴(kuò)展文件系統(tǒng)的簡(jiǎn)史
第一個(gè)受 Linux 支持的文件系統(tǒng)是 Minix 文件系統(tǒng)。這個(gè)文件系統(tǒng)有嚴(yán)重的性能問(wèn)題，因此出現(xiàn)了另一個(gè)針對(duì) Linux 的文件系統(tǒng)，即擴(kuò)展文件系統(tǒng)。第 1 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext1）由 Remy Card 設(shè)計(jì)，并于 1992 年 4 月引入到 Linux 中。ext1 文件系統(tǒng)是第一個(gè)使用虛擬文件系統(tǒng)（VFS）交換的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)交換是在 0.96c 內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的，支持的文件系統(tǒng)為 2 GB。
第 2 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext2）也是由 Remy Card 實(shí)現(xiàn)的，并于 1993 年 1 月引入到 Linux 中。它借鑒了當(dāng)時(shí)文件系統(tǒng)（比如 Berkeley Fast File System [FFS]）的先進(jìn)想法。ext2 支持的文件系統(tǒng)為 2TB，但是 2.6 內(nèi)核將該文件系統(tǒng)支持的容量提升到 32TB。
第 3 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext3）是 Linux 文件系統(tǒng)的重大改進(jìn)，盡管它在性能方面遜色于某些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。ext3 文件系統(tǒng)引入了日志 概念，以在系統(tǒng)突然停止時(shí)提高文件系統(tǒng)的可靠性。雖然某些文件系統(tǒng)的性能更好（比如 Silicon Graphics 的 XFS 和 IBM? Journaled File System [JFS]），但 ext3 支持從使用 ext2 的系統(tǒng)進(jìn)行就地（in-place）升級(jí)。ext3 由 Stephen Tweedie 實(shí)現(xiàn)，并于 2001 年 11 月引入。
今天，我們已經(jīng)擁有第 4 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext4）。ext4 在性能、伸縮性和可靠性方面進(jìn)行了大量改進(jìn)。最值得一提的是，ext4 支持 1 EB 的文件系統(tǒng)。ext4 是由 Theodore Tso（ext3 的維護(hù)者）領(lǐng)導(dǎo)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的，并引入到 2.6.19 內(nèi)核中。目前，它在 2.6.28 內(nèi)核中已經(jīng)很穩(wěn)定（到 2008 年 12 月為止）。
ext4 從競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手那里借鑒了許多有用的概念。例如，在 JFS 中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了使用區(qū)段（extent）來(lái)管理塊。另一個(gè)與塊管理相關(guān)的特性（延遲分配）已經(jīng)在 XFS 和 Sun Microsystems 的 ZFS 中實(shí)現(xiàn)。
在 ext4 文件系統(tǒng)中，您可以發(fā)現(xiàn)各種改進(jìn)和創(chuàng)新。這些改進(jìn)包括新特性（新功能）、伸縮性（打破當(dāng)前文件系統(tǒng)的限制）和可靠性（應(yīng)對(duì)故障），當(dāng)然也包括性能的改善。
功能
ext4 引入了大量新功能，但最重要的是與 ext3 的向后和向前兼容性，以及在時(shí)間戳上的改進(jìn)。這些改進(jìn)立足于提高未來(lái)的 Linux 系統(tǒng)的性能。
向后和向前兼容性
由于 ext3 是 Linux 上歡迎的文件系統(tǒng)之一，因此應(yīng)該能夠輕松遷移到 ext4。為此，ext4 被設(shè)計(jì)為在 extent 方面具有向后和向前兼容性。ext4 與 ext3 是向前兼容的，這樣就可以將 ext3 文件系統(tǒng)掛載為 ext4 文件系統(tǒng)。為了充分利用 ext4 的優(yōu)勢(shì)，必須實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的遷移，以轉(zhuǎn)換和利用新的 ext4 格式。您還可以將 ext4 掛載為 ext3（向后兼容），但前提是 ext4 文件系統(tǒng)不能使用區(qū)段（將在性能小節(jié)對(duì)其進(jìn)行討論）。
除了兼容性特性之外，您還可以逐步地將 ext3 文件系統(tǒng)遷移到 ext4。這意味著沒(méi)有移動(dòng)的舊文件可以保留 ext3 格式，但新的文件（或已被復(fù)制的舊文件）將采用新的 ext4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。您可以通過(guò)這種方式在線將 ext3 文件系統(tǒng)遷移到 ext4 文件系統(tǒng)。
提高時(shí)間戳分辨率和擴(kuò)展范圍
令人驚訝的是，ext4 之前的擴(kuò)展文件系統(tǒng)的時(shí)間戳都是以秒為單位的。這已經(jīng)能夠應(yīng)付大多數(shù)設(shè)置，但隨著處理器的速度和集成程度（多核處理器）不斷提升，以及 Linux 開(kāi)始向其他應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展（比如高性能計(jì)算），基于秒的時(shí)間戳已經(jīng)不夠用。ext4 設(shè)計(jì)時(shí)間戳?xí)r考慮到未來(lái)的發(fā)展，它將時(shí)間戳的單位提升到納秒。ext4 給時(shí)間范圍添加了兩個(gè)位，從而讓時(shí)間壽命再延長(zhǎng) 500 年。
伸縮性
文件系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方面就是伸縮性，即根據(jù)需求進(jìn)行伸縮的能力。ext4 以多種方式現(xiàn)實(shí)了強(qiáng)大的伸縮性，它的伸縮性超越了 ext3，并且在文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)管理方面開(kāi)辟了新領(lǐng)域。
突破文件系統(tǒng)的限制
ext4 的一個(gè)明顯差別就是它支持更大的文件系統(tǒng)、文件和子目錄。ext4 支持的文件系統(tǒng)為 1 EB（1000 PB）。雖然根據(jù)今天的標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)文件系統(tǒng)已經(jīng)非常巨大，但存儲(chǔ)空間的消費(fèi)會(huì)不斷增長(zhǎng)，因此 ext4 必須考慮到未來(lái)的發(fā)展。ext4 支持 16 TB 的文件（假設(shè)由 4KB 的塊組成），這個(gè)容量是 ext3 的 8 倍。
最后，ext4 也擴(kuò)展了子目錄的容量，將其從 32KB 擴(kuò)展到無(wú)窮大。這是極端情況，我們還需要考慮文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗拇鎯?chǔ)容量為 1 EB。此外，目錄索引也優(yōu)化為類(lèi)似于散列 B 樹(shù)結(jié)構(gòu)，因此盡管限制更加多，但 ext4 支持更快的查找。
區(qū)段
ext3 分配空間的方式是其主要缺點(diǎn)之一。ext3 使用空閑空間位映射來(lái)分配文件，這種方式不是很快，并且伸縮性不強(qiáng)。ext3 的格式對(duì)小文件而言是很高效的，但對(duì)于大文件則恰恰相反。ext4 使用區(qū)段取代 ext3 的機(jī)制，從而改善了空間的分配，并且支持更加高效的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。區(qū)段是一種表示一組相鄰塊的方式。使用區(qū)段減少了元數(shù)據(jù)，因?yàn)閰^(qū)段維護(hù)關(guān)于一組相鄰塊的存儲(chǔ)位置的信息（從而減少了總體元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），而不是一個(gè)塊的存儲(chǔ)位置的信息。
ext4 的區(qū)段采用分層的方法高效地表示小文件，并且使用區(qū)段樹(shù)高效地表示大文件。例如，單個(gè) ext4 inode 有足夠的空間來(lái)引用 4 個(gè)區(qū)段（每個(gè)區(qū)段表示一組相鄰的塊）。對(duì)于大文件（包括片段文件），一個(gè) inode 能夠引用一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)索引節(jié)點(diǎn)能夠引用一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)（引用多個(gè)區(qū)段）。這種持續(xù)的區(qū)段樹(shù)為大文件（尤其是分散的文件）提供豐富的表示方式。這些節(jié)點(diǎn)還包含自主檢查機(jī)制，以阻止文件系統(tǒng)損壞帶來(lái)威脅。
性能
衡量一個(gè)新文件系統(tǒng)的最重要指標(biāo)就是它的根本性能。這常常是最難實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，因?yàn)楫?dāng)文件系統(tǒng)變得龐大并且要求實(shí)現(xiàn)高可靠性時(shí)，將會(huì)以損害性能為代價(jià)。但是，ext4 不僅解決了伸縮性和可靠性，它還提供各種改善性能的方法。
文件級(jí)預(yù)分配
某些應(yīng)用程序，比如數(shù)據(jù)庫(kù)或內(nèi)容流，要求將文件存儲(chǔ)在相鄰的塊上（利用相鄰塊的讀優(yōu)化和化讀的命令-塊比率）。盡管區(qū)段能夠?qū)⑾噜弶K劃分為片段，但另一種更強(qiáng)大的方法是按照所需的大小預(yù)分配比較大的相鄰塊（XFS 以前就是采用這種方法）。ext4 通過(guò)一個(gè)新的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，這個(gè)調(diào)用將按照特定的大小預(yù)分配并初始化文件。然后，您就可以寫(xiě)入必要的數(shù)據(jù)，并為數(shù)據(jù)提供不錯(cuò)的讀性能。
延遲塊分配
另一個(gè)基于文件大小的優(yōu)化是延遲分配。這種性能優(yōu)化延遲磁盤(pán)上的物理塊的分配，直到塊被刷入到磁盤(pán)時(shí)才進(jìn)行分配。這種優(yōu)化的關(guān)鍵是延遲物理塊的分配，直到需要在磁盤(pán)上寫(xiě)這些物理塊時(shí)才對(duì)其進(jìn)行分配并寫(xiě)到相鄰的塊。這類(lèi)似于持久化預(yù)分配，惟一的區(qū)別是文件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)。不過(guò)如果預(yù)先知道文件的大小時(shí)，持久化預(yù)分配是更好的選擇。
多個(gè)塊分配
這是最后一個(gè)與相鄰塊相關(guān)的優(yōu)化，即針對(duì) ext4 的塊分配器。在 ext3 中，塊分配器的工作方式是每次分配一個(gè)塊。當(dāng)需要分配多個(gè)塊時(shí)，非相鄰塊中可能存在相鄰的數(shù)據(jù)。ext4 使用塊分配器修復(fù)了這個(gè)問(wèn)題，它能夠在磁盤(pán)上一次分配多個(gè)塊。與前面其他優(yōu)化一樣，這個(gè)優(yōu)化在磁盤(pán)上收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)相鄰讀優(yōu)化。
多個(gè)塊分配的另一個(gè)方面是分配塊時(shí)需要的處理量。記住，ext3 一次只分配一個(gè)塊。在最簡(jiǎn)單的情況下，每個(gè)塊的分配都要有一個(gè)調(diào)用。如果一次分配多個(gè)塊，對(duì)塊分配器的調(diào)用就會(huì)大大減少，從而加快分配并減少處理量。
可靠性
ext4 文件系統(tǒng)可能會(huì)擴(kuò)展得比較大，這將導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。但 ext4 通過(guò)許多自主保護(hù)和自主修復(fù)機(jī)制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
執(zhí)行文件系統(tǒng)日志校驗(yàn)和
和 ext3 一樣，ext4 也是一個(gè)日志文件系統(tǒng)。日志記錄就是通過(guò)日記（磁盤(pán)上相鄰區(qū)域的專(zhuān)門(mén)循環(huán)記錄）記錄文件系統(tǒng)的變更的過(guò)程。因此，根據(jù)日志對(duì)物理存儲(chǔ)執(zhí)行實(shí)際變更更加可靠，并且能夠確保一致性，即使在操作期間出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或電源中斷。這樣做可以減少文件系統(tǒng)損壞的幾率。
但是即使進(jìn)行日志記錄，如果日志出現(xiàn)錯(cuò)誤仍然會(huì)導(dǎo)致文件系統(tǒng)損壞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，ext4 對(duì)日志執(zhí)行校驗(yàn)和，確保有效變更能夠在底層文件系統(tǒng)上正確完成。在 參考資料 小節(jié)可以找到其他關(guān)于日志記錄（ext4 的重要部分）的資料。
ext4 支持根據(jù)用戶(hù)需求采用多種模式的日志記錄。例如，ext4 支持 Writeback 模式，它僅記錄元數(shù)據(jù)；或 Ordered 模式，它記錄元數(shù)據(jù)，但寫(xiě)為元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)是從日志中寫(xiě)入的；或 Journal 模式（最可靠的模式），它同時(shí)記錄元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)。注意，雖然 Journal 模式是確保文件系統(tǒng)一致的選擇，但它也是最慢的，因?yàn)樗袛?shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)日志。
在線磁盤(pán)碎片整理
盡管 ext4 添加一些特性來(lái)減少文件系統(tǒng)的碎片（比如將相鄰塊分配為區(qū)段），但隨著系統(tǒng)使用時(shí)間的增加，碎片是難以完全避免的。因此出現(xiàn)了在線碎片整理工具，它們可以對(duì)文件系統(tǒng)和單個(gè)文件執(zhí)行碎片整理，從而改善性能。在線碎片整理程序是一個(gè)簡(jiǎn)單的工具，它將文件復(fù)制到引用相鄰區(qū)段的新 ext4 inode。
在線碎片整理還可以減少檢查文件系統(tǒng)所需的時(shí)間（fsck）。ext4 將未使用的塊組標(biāo)記到 inode 表中，并讓 fsck 進(jìn)程忽略它們以加快檢查速度。當(dāng)操作系統(tǒng)因內(nèi)部損壞（隨著文件系統(tǒng)變大，這是不可避免的）而檢查文件系統(tǒng)時(shí)，ext4 的設(shè)計(jì)方式將能夠提高總體可靠性。
結(jié)束語(yǔ)
針對(duì) Linux 的擴(kuò)展文件系統(tǒng)有著漫長(zhǎng)而豐富的歷史 — 從 1992 年首次引入 ext1 到 2008 年引入 ext4。ext4 是首個(gè)專(zhuān)門(mén)為 Linux 設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)，并且事實(shí)證明它是高效、穩(wěn)定、強(qiáng)大的文件系統(tǒng)。ext4 隨著文件系統(tǒng)研究的深入而不斷發(fā)展，并且借鑒其他新文件系統(tǒng)的先進(jìn)思想（比如 XFS、JFS、Reiser 和 IRON 容錯(cuò)文件系統(tǒng)技術(shù)）。盡管目前預(yù)測(cè) ext5 將會(huì)是什么樣子還為時(shí)過(guò)早，但有一點(diǎn)是很明確的，它將主導(dǎo)企業(yè)級(jí) Liunx 系統(tǒng)
Linux 內(nèi)核的每次發(fā)行都伴隨一些驚喜，今年 12 月份發(fā)行的 2.6.28 也不例外。這個(gè)發(fā)行版是首個(gè)穩(wěn)定的 ext4 文件系統(tǒng)（它還包含其他出色的特性，比如正在開(kāi)發(fā)的 Btrfs）。這個(gè)下一代擴(kuò)展文件系統(tǒng)提供更好的伸縮性、可靠性和許多新功能。ext4 的伸縮性如此之大，以致的文件系統(tǒng)所用的磁盤(pán)空間將達(dá)到 100 萬(wàn) TB。
擴(kuò)展文件系統(tǒng)的簡(jiǎn)史
第一個(gè)受 Linux 支持的文件系統(tǒng)是 Minix 文件系統(tǒng)。這個(gè)文件系統(tǒng)有嚴(yán)重的性能問(wèn)題，因此出現(xiàn)了另一個(gè)針對(duì) Linux 的文件系統(tǒng)，即擴(kuò)展文件系統(tǒng)。第 1 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext1）由 Remy Card 設(shè)計(jì)，并于 1992 年 4 月引入到 Linux 中。ext1 文件系統(tǒng)是第一個(gè)使用虛擬文件系統(tǒng)（VFS）交換的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)交換是在 0.96c 內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的，支持的文件系統(tǒng)為 2 GB。
第 2 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext2）也是由 Remy Card 實(shí)現(xiàn)的，并于 1993 年 1 月引入到 Linux 中。它借鑒了當(dāng)時(shí)文件系統(tǒng)（比如 Berkeley Fast File System [FFS]）的先進(jìn)想法。ext2 支持的文件系統(tǒng)為 2TB，但是 2.6 內(nèi)核將該文件系統(tǒng)支持的容量提升到 32TB。
第 3 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext3）是 Linux 文件系統(tǒng)的重大改進(jìn)，盡管它在性能方面遜色于某些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。ext3 文件系統(tǒng)引入了日志 概念，以在系統(tǒng)突然停止時(shí)提高文件系統(tǒng)的可靠性。雖然某些文件系統(tǒng)的性能更好（比如 Silicon Graphics 的 XFS 和 IBM? Journaled File System [JFS]），但 ext3 支持從使用 ext2 的系統(tǒng)進(jìn)行就地（in-place）升級(jí)。ext3 由 Stephen Tweedie 實(shí)現(xiàn)，并于 2001 年 11 月引入。
今天，我們已經(jīng)擁有第 4 個(gè)擴(kuò)展文件系統(tǒng)（ext4）。ext4 在性能、伸縮性和可靠性方面進(jìn)行了大量改進(jìn)。最值得一提的是，ext4 支持 1 EB 的文件系統(tǒng)。ext4 是由 Theodore Tso（ext3 的維護(hù)者）領(lǐng)導(dǎo)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的，并引入到 2.6.19 內(nèi)核中。目前，它在 2.6.28 內(nèi)核中已經(jīng)很穩(wěn)定（到 2008 年 12 月為止）。
ext4 從競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手那里借鑒了許多有用的概念。例如，在 JFS 中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了使用區(qū)段（extent）來(lái)管理塊。另一個(gè)與塊管理相關(guān)的特性（延遲分配）已經(jīng)在 XFS 和 Sun Microsystems 的 ZFS 中實(shí)現(xiàn)。
在 ext4 文件系統(tǒng)中，您可以發(fā)現(xiàn)各種改進(jìn)和創(chuàng)新。這些改進(jìn)包括新特性（新功能）、伸縮性（打破當(dāng)前文件系統(tǒng)的限制）和可靠性（應(yīng)對(duì)故障），當(dāng)然也包括性能的改善。
功能
ext4 引入了大量新功能，但最重要的是與 ext3 的向后和向前兼容性，以及在時(shí)間戳上的改進(jìn)。這些改進(jìn)立足于提高未來(lái)的 Linux 系統(tǒng)的性能。
向后和向前兼容性
由于 ext3 是 Linux 上歡迎的文件系統(tǒng)之一，因此應(yīng)該能夠輕松遷移到 ext4。為此，ext4 被設(shè)計(jì)為在 extent 方面具有向后和向前兼容性。ext4 與 ext3 是向前兼容的，這樣就可以將 ext3 文件系統(tǒng)掛載為 ext4 文件系統(tǒng)。為了充分利用 ext4 的優(yōu)勢(shì)，必須實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的遷移，以轉(zhuǎn)換和利用新的 ext4 格式。您還可以將 ext4 掛載為 ext3（向后兼容），但前提是 ext4 文件系統(tǒng)不能使用區(qū)段（將在性能小節(jié)對(duì)其進(jìn)行討論）。
除了兼容性特性之外，您還可以逐步地將 ext3 文件系統(tǒng)遷移到 ext4。這意味著沒(méi)有移動(dòng)的舊文件可以保留 ext3 格式，但新的文件（或已被復(fù)制的舊文件）將采用新的 ext4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。您可以通過(guò)這種方式在線將 ext3 文件系統(tǒng)遷移到 ext4 文件系統(tǒng)。
提高時(shí)間戳分辨率和擴(kuò)展范圍
令人驚訝的是，ext4 之前的擴(kuò)展文件系統(tǒng)的時(shí)間戳都是以秒為單位的。這已經(jīng)能夠應(yīng)付大多數(shù)設(shè)置，但隨著處理器的速度和集成程度（多核處理器）不斷提升，以及 Linux 開(kāi)始向其他應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展（比如高性能計(jì)算），基于秒的時(shí)間戳已經(jīng)不夠用。ext4 設(shè)計(jì)時(shí)間戳?xí)r考慮到未來(lái)的發(fā)展，它將時(shí)間戳的單位提升到納秒。ext4 給時(shí)間范圍添加了兩個(gè)位，從而讓時(shí)間壽命再延長(zhǎng) 500 年。
伸縮性
文件系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方面就是伸縮性，即根據(jù)需求進(jìn)行伸縮的能力。ext4 以多種方式現(xiàn)實(shí)了強(qiáng)大的伸縮性，它的伸縮性超越了 ext3，并且在文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)管理方面開(kāi)辟了新領(lǐng)域。
突破文件系統(tǒng)的限制
ext4 的一個(gè)明顯差別就是它支持更大的文件系統(tǒng)、文件和子目錄。ext4 支持的文件系統(tǒng)為 1 EB（1000 PB）。雖然根據(jù)今天的標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)文件系統(tǒng)已經(jīng)非常巨大，但存儲(chǔ)空間的消費(fèi)會(huì)不斷增長(zhǎng)，因此 ext4 必須考慮到未來(lái)的發(fā)展。ext4 支持 16 TB 的文件（假設(shè)由 4KB 的塊組成），這個(gè)容量是 ext3 的 8 倍。
最后，ext4 也擴(kuò)展了子目錄的容量，將其從 32KB 擴(kuò)展到無(wú)窮大。這是極端情況，我們還需要考慮文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗拇鎯?chǔ)容量為 1 EB。此外，目錄索引也優(yōu)化為類(lèi)似于散列 B 樹(shù)結(jié)構(gòu)，因此盡管限制更加多，但 ext4 支持更快的查找。
區(qū)段
ext3 分配空間的方式是其主要缺點(diǎn)之一。ext3 使用空閑空間位映射來(lái)分配文件，這種方式不是很快，并且伸縮性不強(qiáng)。ext3 的格式對(duì)小文件而言是很高效的，但對(duì)于大文件則恰恰相反。ext4 使用區(qū)段取代 ext3 的機(jī)制，從而改善了空間的分配，并且支持更加高效的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。區(qū)段是一種表示一組相鄰塊的方式。使用區(qū)段減少了元數(shù)據(jù)，因?yàn)閰^(qū)段維護(hù)關(guān)于一組相鄰塊的存儲(chǔ)位置的信息（從而減少了總體元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），而不是一個(gè)塊的存儲(chǔ)位置的信息。
ext4 的區(qū)段采用分層的方法高效地表示小文件，并且使用區(qū)段樹(shù)高效地表示大文件。例如，單個(gè) ext4 inode 有足夠的空間來(lái)引用 4 個(gè)區(qū)段（每個(gè)區(qū)段表示一組相鄰的塊）。對(duì)于大文件（包括片段文件），一個(gè) inode 能夠引用一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)索引節(jié)點(diǎn)能夠引用一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)（引用多個(gè)區(qū)段）。這種持續(xù)的區(qū)段樹(shù)為大文件（尤其是分散的文件）提供豐富的表示方式。這些節(jié)點(diǎn)還包含自主檢查機(jī)制，以阻止文件系統(tǒng)損壞帶來(lái)威脅。
性能
衡量一個(gè)新文件系統(tǒng)的最重要指標(biāo)就是它的根本性能。這常常是最難實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，因?yàn)楫?dāng)文件系統(tǒng)變得龐大并且要求實(shí)現(xiàn)高可靠性時(shí)，將會(huì)以損害性能為代價(jià)。但是，ext4 不僅解決了伸縮性和可靠性，它還提供各種改善性能的方法。
文件級(jí)預(yù)分配
某些應(yīng)用程序，比如數(shù)據(jù)庫(kù)或內(nèi)容流，要求將文件存儲(chǔ)在相鄰的塊上（利用相鄰塊的讀優(yōu)化和化讀的命令-塊比率）。盡管區(qū)段能夠?qū)⑾噜弶K劃分為片段，但另一種更強(qiáng)大的方法是按照所需的大小預(yù)分配比較大的相鄰塊（XFS 以前就是采用這種方法）。ext4 通過(guò)一個(gè)新的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，這個(gè)調(diào)用將按照特定的大小預(yù)分配并初始化文件。然后，您就可以寫(xiě)入必要的數(shù)據(jù)，并為數(shù)據(jù)提供不錯(cuò)的讀性能。
延遲塊分配
另一個(gè)基于文件大小的優(yōu)化是延遲分配。這種性能優(yōu)化延遲磁盤(pán)上的物理塊的分配，直到塊被刷入到磁盤(pán)時(shí)才進(jìn)行分配。這種優(yōu)化的關(guān)鍵是延遲物理塊的分配，直到需要在磁盤(pán)上寫(xiě)這些物理塊時(shí)才對(duì)其進(jìn)行分配并寫(xiě)到相鄰的塊。這類(lèi)似于持久化預(yù)分配，惟一的區(qū)別是文件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)。不過(guò)如果預(yù)先知道文件的大小時(shí)，持久化預(yù)分配是更好的選擇。
多個(gè)塊分配
這是最后一個(gè)與相鄰塊相關(guān)的優(yōu)化，即針對(duì) ext4 的塊分配器。在 ext3 中，塊分配器的工作方式是每次分配一個(gè)塊。當(dāng)需要分配多個(gè)塊時(shí)，非相鄰塊中可能存在相鄰的數(shù)據(jù)。ext4 使用塊分配器修復(fù)了這個(gè)問(wèn)題，它能夠在磁盤(pán)上一次分配多個(gè)塊。與前面其他優(yōu)化一樣，這個(gè)優(yōu)化在磁盤(pán)上收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)相鄰讀優(yōu)化。
多個(gè)塊分配的另一個(gè)方面是分配塊時(shí)需要的處理量。記住，ext3 一次只分配一個(gè)塊。在最簡(jiǎn)單的情況下，每個(gè)塊的分配都要有一個(gè)調(diào)用。如果一次分配多個(gè)塊，對(duì)塊分配器的調(diào)用就會(huì)大大減少，從而加快分配并減少處理量。
可靠性
ext4 文件系統(tǒng)可能會(huì)擴(kuò)展得比較大，這將導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。但 ext4 通過(guò)許多自主保護(hù)和自主修復(fù)機(jī)制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
執(zhí)行文件系統(tǒng)日志校驗(yàn)和
和 ext3 一樣，ext4 也是一個(gè)日志文件系統(tǒng)。日志記錄就是通過(guò)日記（磁盤(pán)上相鄰區(qū)域的專(zhuān)門(mén)循環(huán)記錄）記錄文件系統(tǒng)的變更的過(guò)程。因此，根據(jù)日志對(duì)物理存儲(chǔ)執(zhí)行實(shí)際變更更加可靠，并且能夠確保一致性，即使在操作期間出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或電源中斷。這樣做可以減少文件系統(tǒng)損壞的幾率。
但是即使進(jìn)行日志記錄，如果日志出現(xiàn)錯(cuò)誤仍然會(huì)導(dǎo)致文件系統(tǒng)損壞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，ext4 對(duì)日志執(zhí)行校驗(yàn)和，確保有效變更能夠在底層文件系統(tǒng)上正確完成。在 參考資料 小節(jié)可以找到其他關(guān)于日志記錄（ext4 的重要部分）的資料。
ext4 支持根據(jù)用戶(hù)需求采用多種模式的日志記錄。例如，ext4 支持 Writeback 模式，它僅記錄元數(shù)據(jù)；或 Ordered 模式，它記錄元數(shù)據(jù)，但寫(xiě)為元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)是從日志中寫(xiě)入的；或 Journal 模式（最可靠的模式），它同時(shí)記錄元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)。注意，雖然 Journal 模式是確保文件系統(tǒng)一致的選擇，但它也是最慢的，因?yàn)樗袛?shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)日志。
在線磁盤(pán)碎片整理
盡管 ext4 添加一些特性來(lái)減少文件系統(tǒng)的碎片（比如將相鄰塊分配為區(qū)段），但隨著系統(tǒng)使用時(shí)間的增加，碎片是難以完全避免的。因此出現(xiàn)了在線碎片整理工具，它們可以對(duì)文件系統(tǒng)和單個(gè)文件執(zhí)行碎片整理，從而改善性能。在線碎片整理程序是一個(gè)簡(jiǎn)單的工具，它將文件復(fù)制到引用相鄰區(qū)段的新 ext4 inode。
在線碎片整理還可以減少檢查文件系統(tǒng)所需的時(shí)間（fsck）。ext4 將未使用的塊組標(biāo)記到 inode 表中，并讓 fsck 進(jìn)程忽略它們以加快檢查速度。當(dāng)操作系統(tǒng)因內(nèi)部損壞（隨著文件系統(tǒng)變大，這是不可避免的）而檢查文件系統(tǒng)時(shí)，ext4 的設(shè)計(jì)方式將能夠提高總體可靠性。
結(jié)束語(yǔ)
針對(duì) Linux 的擴(kuò)展文件系統(tǒng)有著漫長(zhǎng)而豐富的歷史 — 從 1992 年首次引入 ext1 到 2008 年引入 ext4。ext4 是首個(gè)專(zhuān)門(mén)為 Linux 設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)，并且事實(shí)證明它是高效、穩(wěn)定、強(qiáng)大的文件系統(tǒng)。ext4 隨著文件系統(tǒng)研究的深入而不斷發(fā)展，并且借鑒其他新文件系統(tǒng)的先進(jìn)思想（比如 XFS、JFS、Reiser 和 IRON 容錯(cuò)文件系統(tǒng)技術(shù)）。盡管目前預(yù)測(cè) ext5 將會(huì)是什么樣子還為時(shí)過(guò)早，但有一點(diǎn)是很明確的，它將主導(dǎo)企業(yè)級(jí) Liunx 系統(tǒng)