Linux下常见文件系统的对比

本文将对Linux下常见的几种文件系统进行对比，包括ext2、ext3、ext4、XFS和Btrfs，希望能帮助大家更好的选择合适的文件系统。

内容来自于网上找的资料以及自己的一些经验，能力有限，错误在所难免，仅供参考

历史

从创建时间可以看出他们所处的不同时代，因为Btrfs的实现借鉴自ZFS，所以这里也将ZFS列出来作为参考。

大小限制

***文件和分区大小受格式化分区时所采用的块大小(block size)所影响，块越大，所支持的***文件和分区越大，也越可能浪费磁盘空间，上表列出的数据基于4K的块大小。

代码规模

从代码规模可以看出文件系统的功能丰富程度以及复杂度，下面列出的数据来自于kernel-4.1-rc8，只是简单的用wc -l来统计，没有过滤空行、注释等。

• Btrfs还在快速的开发过程中，代码行数可能还有比较大的变化
• XFS和Btrfs都使用了B-tree

ext2

ext的优点是比较简单，文件比较少时性能较好，比较适合文件少的场景，主要缺点如下

• inode的数量是固定不变的，在格式化分区的时候可以指定inode和数据块所占空间的比例，但一旦格式化好，后续就没法再改变了
• 当块大小为4K时，单个文件大小不能超过2TB，分区大小不能超过16TB(目前硬盘大小一般都只有几TB，所以也不是什么大问题，)
• 一个目录下最多只能有32000个子目录
• 由于目录里面存储的文件和子目录都是以线性方式来组织的，所以遍历目录效率不高，尤其当目录下文件个数达到10K以上规模的时候，速度会明显的变慢
• 当底层的磁盘分区空间变大时(使用LVM时很常见)，ext2没法动态的扩展来使用增加的空间
• 没有日志(Journal)功能，所以数据的安全性不高

ext3

ext3在ext2的基础上实现了下面几个功能，其它的都保持不变，即ext2的缺点ext3也有

• 支持日志(Journal)功能，数据的安全性较ext2有很大的提高
• 当底层的分区空间变大时，ext3可以自动扩展来使用增加的空间
• 使用HTree来组织目录里面的文件和子目录，使目录下的文件和子目录数不再受性能限制(数量超过10K也不会有性能问题)

ext4

ext4借鉴了当前成熟的一些文件系统技术，在ext3上增加了一些功能，并且对性能做了一些改进，主要变化如下

• 当块大小为4K时，支持的***文件和***分区大小分别达到了16TB和1EB
• 不再受32000个子目录数的限制，支持不限数量的子目录个数
• 支持Extents，提高了大文件的操作性能
• 内部实现上支持一次分配多个数据块，较ext3的性能有所提高
• 支持延时分配(即支持fallocate函数)(fallocate是libc的函数，在不支持该功能的文件系统上，libc会创建一个占用磁盘空间文件)
• 支持在线快速扫描
• 支持在线碎片整理(单个文件或者整个分区)
• 日志(Journal)支持校验码(checksum)，数据的安全性进一步提高
• 支持无日志(No Journaling)模式(ext3不支持该功能)，这样就和ext2一样，消除了写日志对性能的影响
• 支持纳秒级的时间戳
• 记录了文件的创建时间，由于相关的应用层工具还不支持，所以只能通过debug的方式看到文件的创建时间

这里是一个查看文件/etc/fstab创建时间的例子(文件存在/dev/sda1分区上)：

dev@ubuntu:~$ ls -i /etc/fstab 
10747906 /etc/fstab 
dev@ubuntu:~$ sudo debugfs -R 'stat <10747906>' /dev/sda1 
Inode: 10747906   Type: regular    Mode:  0644   Flags: 0x80000 
Links: 1   Blockcount: 8 
ctime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May  3 22:41:24 2015 
 atime: 0x55d1b014:8bcf7b44 -- Mon Aug 17 05:57:40 2015 
 mtime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May  3 22:41:24 2015 
crtime: 0x5546dc54:6e6bc80c -- Sun May  3 22:41:24 2015 
Size of extra inode fields: 28 
EXTENTS: (0):46712815  

Extents： 在最开始的ext2文件系统中，数据块都是一个一个单独管理的，inode中存有指向数据块的指针，文件占用了多少个数据块，inode里面就有多少个指针(多级)，想象一下一个1G的文件，4K的块大小，那么需要(1024 * 1024)/4=262144个数据块，即需要262144个指针，创建文件的时候需要初始化这些指针，删除文件的时候需要回收这些指针，影响性能。现代的文件系统都支持Extents的功能，简单点说，Extent就是数据块的集合，以前一次分配一个数据块，现在可以一次分配一个Extent，里面包含很多数据块，同时inode里面只需要分配指向Extent的指针就可以了，从而大大减少了指针的数量和层级，提高了大文件操作的性能。

inode数量固定： 在ext2/3/4系列的文件系统中，inode的数量都是固定的，坏处是如果存很多小文件的话，有可能造成inode被用光，但磁盘还有很多剩余空间无法被使用的情况，不过它也有一个好处，就是一旦磁盘损坏，恢复起来要相对简单些，因为数据在磁盘上布局相对要固定简单。

xfs

和ext4相比，xfs不支持下面这些功能

• 不支持日志(Journal)校验码
• 不支持无日志(No Journaling)模式
• 不支持文件创建时间
• 不支持数据日志(data journal)，只有元数据日志(metadata journal)

但xfs有下面这些特性

• 支持的***文件和分区都达到了8EB
• inode动态分配，从而不受inode数量的限制，再也不用担心存储大量小文件导致inode不够用的问题了。
• 更大的xattr(extended attributes)空间，ext2/3/4及btrfs都限制xattr的长度不能超过一个块(一般是4K)，而xfs可以达到64K
• 内部采用Allocation groups机制，各个group之间没有依赖，支持并发操作，在多核环境的某些场景下性能表现不错
• 提供了原生的dump和restore工具，并且支持在线dump

btrfs

btrfs是一个和ZFS类似的文件系统，支持的功能非常多，据说将来会替换ext4成为Linux下的默认文件系统。这里列举一些重要的功能

• 支持的***文件和分区达到了16EB
• 支持COW(copy on write)
• 针对小文件和SSD做了优化
• inode动态分配
• 支持子分区(Subvolumes)，子分区可以单独挂载
• 支持元数据和数据的校验(crc32)
• 支持压缩，去重
• 支持多个磁盘和分区，可动态扩展
• 支持LVM,RAID的功能(有了btrfs，就不再需要lvm和软raid了)
• 增量备份和恢复
• 支持快照
• 将ext2/3/4转换成btrfs(反过来不行)

btrfs***的缺点就是由于其COW的实现方式，导致碎片化问题比较严重，不太适合频繁写的场景，比如数据库、虚拟机的磁盘文件等。不过大部分场合不需要担心，btrfs有在线的碎片整理工具。

如何选择

下表仅供参考

另外，ext系列文件系统内部结构相对简单一些，出问题后恢复相对容易。

结束语

本篇没有比较它们的性能，在通常情况下，他们之间没有太大的性能差别，只有在特定的场景下，才能看出区别，如果对性能比较敏感，建议根据自己的使用场景来测试不同的文件系统，然后根据结果来选择。