Linux 寫時復(fù)制文件系統(tǒng)

前小節(jié)介紹了 Linux 日志文件系統(tǒng)，本小節(jié)介紹 Linux 寫時復(fù)制文件系統(tǒng)。

1. ZFS 文件系統(tǒng)介紹

ZFS 文件系統(tǒng)的英文名稱為 Zettabyte File System,也叫動態(tài)文件系統(tǒng)（Dynamic File System）,是第一個 128 位文件系統(tǒng)。最初是由 Sun 公司為 Solaris 10 操作系統(tǒng)開發(fā)的文件系統(tǒng)。作為 OpenSolaris 開源計劃的一部分，ZFS 于 2005 年 11 月發(fā)布，被 Sun 稱為是終極文件系統(tǒng)，經(jīng)歷了 10 年的活躍開發(fā)。而最新的開發(fā)將全面開放，并重新命名為 OpenZFS。

ZFS 是一款 128bit 文件系統(tǒng)，總?cè)萘渴乾F(xiàn)有 64bit 文件系統(tǒng)的 1.84x10^19 倍，其支持的單個存儲卷容量達到 16EiB（2^64byte，即 16x1024x1024TB）；一個 zpool 存儲池可以擁有 2^64 個卷，總?cè)萘孔畲?256ZiB（2^78 byte）；整個系統(tǒng)又可以擁有 2^64 個存儲 池?？梢哉f在相當長的未來時間內(nèi)，ZFS 幾乎不太可能出現(xiàn)存儲空間不足的問題。另外，它還擁有自優(yōu)化，自動校驗數(shù)據(jù)完整性，存儲池/卷系統(tǒng)易管理等諸多優(yōu)點。較 ext3 系統(tǒng)有較大運行速率，提高大約 30%-40%。

ZFS 文件系統(tǒng)是一個革命性的全新的文件系統(tǒng)，它從根本上改變了文件系統(tǒng)的管理方式，這個文件系統(tǒng)的特色和其帶來的好處至今沒有其他文件系統(tǒng)可以與之媲美，ZFS 被設(shè)計成強大的、可升級并易于管理的。ZFS 用 “存儲池” 的概念來管理物理存儲空間。過去，文件系統(tǒng)都是構(gòu)建在物理設(shè)備之上的。為了管理這些物理設(shè)備，并為數(shù)據(jù)提供冗余，“卷管理” 的概念提供了一個單設(shè)備的映像。但是這種設(shè)計增加了復(fù)雜性，同時根本沒法使文件系統(tǒng)向更高層次發(fā)展，因為文件系統(tǒng)不能跨越數(shù)據(jù)的物理位置。

ZFS 完全拋棄了 “卷管理”，不再創(chuàng)建虛擬的卷，而是把所有設(shè)備集中到一個存儲池中來進行管理，“存儲池” 描述了存儲的物理特征（設(shè)備的布局，數(shù)據(jù)的冗余等等），并扮演一個能夠創(chuàng)建文件系統(tǒng)的專門存儲空間。從此，文件系統(tǒng)不再局限于單獨的物理設(shè)備，而且文件系統(tǒng)還允許物理設(shè)備把他們自帶的那些文件系統(tǒng)共享到這個 “池” 中。你也不再需要預(yù)先規(guī)劃好文件系統(tǒng)的大小，因為文件系統(tǒng)可以在 “池” 的空間內(nèi)自動的增大。當增加新的存貯介質(zhì)時，所有 “池” 中的所有文件系統(tǒng)能立即使用新增的空間，而不需要額外的操作。在很多情況下，存儲池扮演了一個虛擬內(nèi)存。

ZFS 使用一種寫時拷貝事務(wù)模型技術(shù)。所有文件系統(tǒng)中的塊指針都包括 256 位的能在讀時被重新校驗的關(guān)于目標塊的校驗和。含有活動數(shù)據(jù)的塊從來不被覆蓋；而是分配一個新塊，并把修改過的數(shù)據(jù)寫在新塊上。所有與該塊相關(guān)的元數(shù)據(jù)塊都被重新讀、分配和重寫。為了減少該過程的開銷，多次讀寫更新被歸納為一個事件組，并且在必要的時候使用日志來同步寫操作。

利用寫時拷貝使 ZFS 的快照和事物功能的實現(xiàn)變得更簡單和自然，快照功能更靈活。缺點是，COW 使碎片化問題更加嚴重，對于順序?qū)懮傻拇笪募?，如果以后隨機的對其中的一部分進行了更改，那么這個文件在硬盤上的物理地址就變得不再連續(xù)，未來的順序讀會變得性能比較差。

2. BTRFS 文件系統(tǒng)介紹

BTRFS（通常念成 Butter FS），由 Oracle 于 2007 年宣布并進行中的 COW(copy-on-write 式)文件系統(tǒng)。目標是取代 Linux ext3 文件系統(tǒng)，改善 ext3 的限制，特別是單一文件大小的限制，總文件系統(tǒng)大小限制以及加入文件校驗和特性。加入 ext3/4 未支持的一些功能，例如可寫的磁盤快照(snapshots)，以及支持遞歸的快照(snapshots of snapshots)，內(nèi)建磁盤陣列（RAID）支持，支持子卷(Subvolumes)的概念，允許在線調(diào)整文件系統(tǒng)大小。

首先是擴展性 (scalability) 相關(guān)的特性，btrfs 最重要的設(shè)計目標是應(yīng)對大型機器對文件系統(tǒng)的擴展性要求。 Extent、B-Tree 和動態(tài) inode 創(chuàng)建等特性保證了 btrfs 在大型機器上仍有卓越的表現(xiàn)，其整體性能而不會隨著系統(tǒng)容量的增加而降低。其次是數(shù)據(jù)一致性 (data integrity) 相關(guān)的特性。系統(tǒng)面臨不可預(yù)料的硬件故障，Btrfs 采用 COW 事務(wù)技術(shù)來保證文件系統(tǒng)的一致性。 btrfs 還支持 checksum，避免了 silent corrupt 的出現(xiàn)。而傳統(tǒng)文件系統(tǒng)則無法做到這一點。第三是和多設(shè)備管理相關(guān)的特性。 Btrfs 支持創(chuàng)建快照 (snapshot)，和克隆 (clone) 。 btrfs 還能夠方便的管理多個物理設(shè)備，使得傳統(tǒng)的卷管理軟件變得多余。最后是其他難以歸類的特性。這些特性都是比較先進的技術(shù)，能夠顯著提高文件系統(tǒng)的時間/空間性能，包括延遲分配，小文件的存儲優(yōu)化，目錄索引等。

3. BTRFS 文件系統(tǒng)特性

• 可由底層多個物理卷進行支持。

• 數(shù)據(jù)存儲形式支持 RAID，同時在聯(lián)機的情況下進行“添加硬盤”、“移除硬盤”、“修改文件系統(tǒng)的大小”。

• 支持寫時復(fù)制更新機制，即當我們修改文件時，btrfs先復(fù)制一份原文件，對新文件進行修改，結(jié)束時，原文件名指向新文件。

• 支持卷的快照和快照的快照。

• 透明壓縮，即當文件系統(tǒng)存儲文件時，文件系統(tǒng)會自動將文件進行壓縮再存儲，當提取時，文件系統(tǒng)自動進行解壓縮，但是用戶看不到此過程。

• 擴展性 (scalability)，btrfs 最重要的設(shè)計目標是應(yīng)對大型機器對文件系統(tǒng)的擴展性要求。Extent、B-Tree、inode 創(chuàng)建等特性保證了 btrfs 在大型機器上仍有卓越的表現(xiàn)，其整體性能而不會隨著系統(tǒng)容量的增加而降低。

• 數(shù)據(jù)一致性 (data integrity)。系統(tǒng)面臨不可預(yù)料的硬件故障，Btrfs 采用 COW 事務(wù)技術(shù)來保證文件系統(tǒng)的一致性。 btrfs 還支持 checksum，避免了 silent corrupt 的出現(xiàn)。而傳統(tǒng)文件系統(tǒng)則無法做到這一點。

• 多設(shè)備管理相關(guān)的特性。 Btrfs 支持創(chuàng)建快照 (snapshot)、克隆 (clone) 。 btrfs 還能夠方便的管理多個物理設(shè)備，使得傳統(tǒng)的卷管理軟件變得多余。

4. 小結(jié)

本小節(jié)介紹了 ZFS、BTRFS 兩種寫時復(fù)制文件系統(tǒng)，寫時復(fù)制文件系統(tǒng)采用了日志式技術(shù)，你就必須在安全性和性能之間選擇，盡管數(shù)據(jù)模式日志提供了最高的安全性，但是會對性能帶來影響，因為索引節(jié)點和數(shù)據(jù)都需要被日志化，就文件系統(tǒng)而言，日志式的另一種選擇是一種叫 寫時復(fù)制 的技術(shù)。