苗 杰

國家計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心江蘇分中心

0 引言

ext2和ext3文件系統(tǒng)在發(fā)展中遇到越來越多的擴(kuò)展性問題，隨之產(chǎn)生了ext4文件系統(tǒng)。btrfs曾被稱為是下一代Linux文件系統(tǒng)，其目標(biāo)是為了取代Linux平臺的ext3文件系統(tǒng)。btrfs加入了目前ext3、ext4并未支持的功能，如支持快照功能、具有COW特性（Copy-on-write）、支持創(chuàng)建子卷，以及在線調(diào)整文件系統(tǒng)大小等一系列新功能。

1 btrfs文件系統(tǒng)的新特性

btrfs具有extent特性、BTree結(jié)構(gòu)、SSD優(yōu)化、COW特性、校驗和、快照功能、創(chuàng)建子卷、內(nèi)建磁盤陣列、延遲分配、內(nèi)聯(lián)文件、目錄索引、預(yù)分配和壓縮、修改文件系統(tǒng)大小、文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)化以及debug功能等新特性。本節(jié)主要介紹其中如下幾種新特性。

1.1 extent特性（extent feature）

btrfs采用了基于extent的文件存儲來減少元數(shù)據(jù)開銷，ext4也采用extent的技術(shù)來對文件進(jìn)行存儲。與ext4不同的是，btrfs將所有文件的元數(shù)據(jù)保存在一個BTree中，而ext4針對每個文件，則單獨用一個BTree來保存元數(shù)據(jù)。

1.2 BTree結(jié)構(gòu)（BTree structure）

btrfs內(nèi)部所有元數(shù)據(jù)都采用BTree管理，相比于ext4采用線性表來存儲目錄文件，則擁有良好的可擴(kuò)展性。btrfs內(nèi)部不同的元數(shù)據(jù)由不同的Tree管理。在superblock中由指針指向這些BTree的根。

1.3 COW特性（Copy-on-write）

btrfs是一種COW（copy-on-write）文件系統(tǒng)，btrfs在普通操作中不會直接覆蓋數(shù)據(jù)，而是將元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的新值寫到別的地方，然后在文件系統(tǒng)中指向新的位置，這就提供了強(qiáng)大的一致性和完整性保證。而ext4可以看成是一種overwrite文件系統(tǒng)，當(dāng)更新數(shù)據(jù)時，直接對原來的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行更新。圖1是btrfs進(jìn)行單一數(shù)據(jù)COW操作示意圖。

圖1 COW示意圖

A是FS Tree的根節(jié)點，若對元數(shù)據(jù)C進(jìn)行更新，此時并不會立即更新C。Btrfs首先將元數(shù)據(jù)插入一個新分配的block C’中，并修改上層節(jié)點B，使其指向新的block C’；修改B也將引發(fā)COW，依此類推，引發(fā)一個連鎖反應(yīng)，直到最頂層的 root A。整個過程結(jié)束，節(jié)點A’變成了FS Tree的根節(jié)點。Btrfs修改superblock 使其指向A’。圖1僅顯示了更新單一元數(shù)據(jù)COW過程，但文件系統(tǒng)中很多操作需要更新多個不同的元數(shù)據(jù)。利用COW 事務(wù)能保證文件系統(tǒng)一致性，且系統(tǒng)重啟后不需要執(zhí)行fsck，因為superblock要么指向A，要么指向A’，無論哪個都是一致的數(shù)據(jù)。

1.4 校驗和（Checksum）

btrfs采 用checksum技 術(shù) 來保證數(shù)據(jù)的可靠性，btrfs在讀取數(shù)據(jù)的同時會讀取其相應(yīng)的checksum，采用單獨的checksum tree來管理數(shù)據(jù)塊的校驗和，將checksum和checksum保護(hù)的數(shù)據(jù)塊分離開，從而提供更嚴(yán)格的保護(hù)。ext2/ext3并沒有提供校驗和特性，對磁盤數(shù)據(jù)完全信任。而ext4采用日志校驗和特性來提高文件系統(tǒng)的可靠性，對數(shù)據(jù)部分并未提供校驗和保護(hù)措施。由于硬件原因，從磁盤上讀出的數(shù)據(jù)可能會出錯，即使數(shù)據(jù)從磁盤讀出正確，也很難保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上安全傳輸。

1.5 內(nèi)聯(lián)文件（Inline file）

系統(tǒng)中往往存在大量的小文件，比如幾百個字節(jié)甚至更小。如果為其分配單獨的數(shù)據(jù)block，便會引起內(nèi)部碎片，浪費磁盤空間。btrfs將小文件的內(nèi)容保存在元數(shù)據(jù)中，不再額外分配存放文件數(shù)據(jù)的磁盤塊。改善了內(nèi)部碎片問題，也增加了文件的訪問效率。

圖2 為btrfs采用inline file的示意圖。假設(shè)現(xiàn)在有文件file1，大小15B，file2 大小為1MB。在BTree中存在一個葉子節(jié)點，葉子節(jié)點中的extent1 metadata，extent2 metadata 分別用來表示file1和file2的磁盤使用空間。采用inline file，btrfs將大小為15 B的file1直接內(nèi)嵌在元數(shù)據(jù)extent1 metadata后面。而對于大小1MB的file2，采用普通的extent表示方法，由extent2 metadata指向一段extent，存放file2。若對file1采用如綠色虛線表示，指向一個extent，由于file1僅有15 B，剩余空間便成了碎片。

圖2 內(nèi)聯(lián)文件示意圖

采用inline file技術(shù)，讀file1時只需讀取extent1 metadata的block，而對于file2則先讀取extent2 metadata，再讀取其指向的extent，這便減少了磁盤IO。得益于inline file技術(shù)，btrfs處理小文件的效率非常高，也避免了磁盤碎片問題。

1.6 預(yù)分配和壓縮（Fallocate and compress）

btrfs文件系統(tǒng)支持對磁盤的預(yù)分配，由于所有空間都是一次分配，因而更有可能使用連續(xù)的磁盤空間，所以能夠有效減少磁盤碎片。在將數(shù)據(jù)寫入磁盤之前進(jìn)行壓縮，有時能夠大大減少磁盤IO的次數(shù)，提升IO效率。btrfs內(nèi)置壓縮功能，從2.6.39內(nèi)核開始默認(rèn)采用lzo算法來進(jìn)行壓縮和解壓，zlib算法則在2.6.39內(nèi)核版本之前作為默認(rèn)壓縮解壓算法。然而當(dāng)壓縮使能后，整個文件系統(tǒng)下的所有文件都將被壓縮。

2 btrfs與ext4文件系統(tǒng)性能的對比

下面主要從如下幾點對btrfs和ext4進(jìn)行性能對比分析。

（1）對比btrfs和ext4創(chuàng)建不同大小文件系統(tǒng)的性能，其測試結(jié)果如表1所示。

表1 創(chuàng)建文件系統(tǒng)性能對比

表1 的圖形效果如圖3所示。

圖3 創(chuàng)建文件系統(tǒng)性能對比

btrfs創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，無論磁盤空間大小，僅創(chuàng)建文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)，使用磁盤空間時再進(jìn)行格式化。而ext4在創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，不僅創(chuàng)建文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)，還會對磁盤進(jìn)行格式化。因此創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，ext4比btrfs需要更長的時間。

（2）對比btrfs和ext4刪除不同大小文件的性能，其測試結(jié)果如表2所示。

表2 的圖形效果如圖4所示。

表2 刪除文件性能對比

圖4 刪除文件性能對比

btrfs具有目錄索引技術(shù)，相比ext4刪除文件，btrfs刪除文件時會同時刪除文件的目錄索引，額外刪除文件的目錄索引需要時間開銷，這是造成btrfs刪除文件的性能比ext4差的原因。

（3）對比btrfs和ext4文件拷貝的性能，其測試結(jié)果如表3所示。

表3 的圖形效果如圖5所示。

圖5 文件拷貝性能對比

表3 文件拷貝性能對比

當(dāng)對目錄下的大量文件進(jìn)行拷貝時，btrfs是順序讀取文件進(jìn)行拷貝，而ext4是通過hash方法，文件讀取的效率不如順序讀取，因此btrfs的文件拷貝性能更優(yōu)。

（4）對比btrfs和ext4文件讀寫性能，利用iozone測試工具得到的結(jié)果如表4所示。

表4 文件讀寫性能對比

表4 的圖形效果如圖6所示。

圖6 文件讀寫性能對比

從上述數(shù)據(jù)可以看出，btrfs文件的隨機(jī)讀寫性能明顯優(yōu)于ext4。由于btrfs的預(yù)讀寫緩存大小為4MB，而ext4的預(yù)讀寫緩存大小為128KB，這可能是導(dǎo)致btrfs隨機(jī)讀寫性能優(yōu)于ext4的原因。

3 btrfs新功能對讀寫性能的影響

本節(jié)主要對btrfs新增的COW功能和壓縮功能進(jìn)行了性能測試，主要驗證了是否開啟新功能對讀寫性能帶來的影響并進(jìn)行了測試分析。

（1）對比btrfs的COW功能是否開啟對讀寫性能的影響，其測試結(jié)果如表5所示。

表5 COW功能對讀寫性能影響

表5 的圖形效果如圖7所示。

圖7 COW功能對讀寫性能影響

從上述結(jié)果可以看出btrfs開啟COW功能雖會涉及元數(shù)據(jù)操作，但并未對讀寫性能帶來較大影響。

（2）對比btrfs采用不同壓縮算法對讀寫性能的影響，其測試結(jié)果如表6所示。

表6 不同壓縮算法性能對比

表6 的圖形效果如圖8所示。

圖8 不同壓縮算法讀寫性能對比

btrfs文件系統(tǒng)默認(rèn)掛載項并未選擇壓縮算法，若要選擇zlib或lzo壓縮算法，則需要添加相應(yīng)的掛載參數(shù)。從實驗結(jié)果看出zlib和lzo壓縮算法均能大幅提升文件的讀寫效率。

4 結(jié)束語

本文首先簡要介紹了btrfs文件系統(tǒng)一些功能特性，并對比分析了btrfs與ext4文件系統(tǒng)在創(chuàng)建文件系統(tǒng)、刪除文件、拷貝文件、讀寫文件方面的性能差異。從實驗數(shù)據(jù)可以看出btrfs在創(chuàng)建文件系統(tǒng)、拷貝文件以及隨機(jī)讀寫文件性能明顯優(yōu)于ext4，但刪除文件性能比ext4差。btrfs具有的COW機(jī)制對讀寫性能并未造成明顯影響，選擇btrfs的zlib和lzo算法可以大幅提升文件的讀寫性能。btrfs作為新一代文件系統(tǒng)具有良好的功能特性，目前其僅在Fedora33中成為默認(rèn)的文件系統(tǒng)，后期有望在Linux平臺得到廣泛使用。