Файловые системы Linux
В Linux длительное время также имелась только одна нативная файловая система, носящая имя Ext2fs. О ней написано немало, поэтому буду краток. Название ее расшифровывается как "вторая расширенная файловая система"; "расширенная" она - по сравнению с файловой системой ОС Minix, послужившей прототипом Linux (и до сих пор используемой на отформатированных в этой ОС дискетах), "вторая" - потому что ранние версии Linux базировались на Extfs с более ограниченными возможностями.
По способу организации хранения данных она - типичная представительница файловых систем Unix. Отличительная ее особенность - дробление дискового раздела на группы блоков и наличие нескольких копий суперблока, что повышает надежность хранения данных. Кроме того, для нее характерен очень эффективный механизм кэширования дисковых операций, что обеспечивает замечательное их быстродействие - едва ли не рекордное среди всех известных файловых систем. Оборотная сторона чего, однако, - относительно слабая устойчивость при аварийном завершении работы (вследствие мертвого зависания или отказа питания), поскольку отложенность записи изменений файлов делает весьма высокой вероятность нарушения связи между их inodes и блоками данных.
Конечно, времена, когда некорректный останов Linux-машины грозил полным разрушением файловой системы, остались в далеком прошлом. Однако в любом случае останов системы без штатного размонтирования файловых систем приводит к тому, что в них не устанавливается упоминавшийся ранее неоднократно "бит чистого размонтирования". А без этого утилиты обслуживания диска (такие, как программа проверки fsck) при перезагрузке не воспринимают их как целостные и начинают проверку, которая при современных объемах дисков может занять немалое время.
Проблема нарушения целостности файловой системы при некорректном завершении работы в большей или меньшей мере характерна для всех ОС семейства Unix. И потому с давних пор в них разрабатываются т.н. журналируемые файловые системы.
Журнал -- это нечто вроде log-файла дисковых операций, в котором фиксируются не выполненные, а только предстоящие манипуляции с файлами, вследствие чего оказывается возможным самовосстановление целостности файловой системы после сбоя.
Во избежание недоразумений следует подчеркнуть, что журналирование направленно на обеспечение целостности файловой системы, но ни в коем случае не гарантирует сохранность пользовательских данных как таковых. Так, не следует ожидать, что журналирование волшебным образом восстановит не сохраненные перед сбоем изменения документа, загруженного в текстовый редактор.
Более того, в большинстве журналируемых файловых систем фиксируются грядущие операции только над метаданными изменяемых файлов. Обычно этого достаточно для сохранения целостности файловой системы и, уж во всяком случае, предотвращения долговременных их проверок, однако не предотвращает потери данных в аварийных ситуациях. В некоторых из файловых систем возможно распространение журналирования и на область данных файла. Однако, как всегда, повышение надежности за счет этого оплачивается снижением быстродействия.
Текущие версии ядра Linux поддерживают в качестве нативных четыре журналируемые файловые системы: ReiserFS и Ext3fs, специфичные для этой ОС, XFS и JFS - результаты портирования в Linux файловых систем, разработанных первоначально для рабочих станций под ОС Irix (SGI) и AIX (IBM), соответственно. Правда, широкое признание получили только три первых, так что о JFS я говорить не буду.
Файловая система ReiserFS оказалась для Linux исторически первой из журналируемых - она поддерживается каноническим ядром c http://www.kernel.org, начиная с первых версий ветви 2.4.x. И была единственной, разработанной "с нуля" специально для этой ОС Хансом Райзером и его фирмой Namesys(http://www.namesys.com). В ReiserFS осуществляется журналирование только операций над метаданными файлов. Что, при определенном снижении надежности, обеспечивает высокую производительность: на большинстве типичных пользовательских задач она лишь незначительно уступает Ext2fs.
А на такой, достаточно обычной, операции, как копировании большого количества мелких файлов, существенно ее опережает.
Кроме этого, ReiserFS обладает уникальной (и по умолчанию задействованной) возможностью оптимизации дискового пространства, занимаемого мелкими, менее одного блока, файлами (а следует помнить, что в любой Unix-системе такие файлы присутствуют в изобилии): они целиком хранятся в своих inode, без выделения блоков в области данных - вместе с экономией места это способствует и росту производительности, так как и данные, и метаданные (в терминах ReiserFS - stat-data) файла хранятся в непосредственной близости и могут быть считаны одной операцией ввода/вывода.
Вторая особенность ReiserFS - то, что т.н. хвосты файлов, то есть их конечные части, меньшие по размеру, чем один блок, могут быть подвергнуты упаковке. Этот режим (tailing) также включается по умолчанию при создании ReiserFS, обеспечивая около 5% экономии дискового пространства. Что, правда, несколько снижает быстродействие, и потому режим тайлинга можно отменить при монтировании файловой системы. Однако упаковка хвостов автоматически восстанавливается на файловой системе, в которую было инсталлировано новое ядро - что по некоторым причинам требует внимательного отношения.
ReiserFS не совместима с Ext2fs на уровне утилит обслуживания файловой системы. Однако соответствующий инструментарий, объединенный в пакет reiserfsprogs, уже давно включается в штатный комплект современных дистрибутивов (или, в крайнем случае, может быть получен с сайта Namesys.
Более серьезная проблема с совместимостью - в том, что распространенные загрузчики Linux (и Lilo, и GRUB - хотя и по разным причинам) иногда не способны загрузить ядро Linux с раздела ReiserFS, оптимизированного в режиме тайлинга. А поскольку, будучи отключен, этот режим обладает свойством самовосстановления, пользователь может столкнуться с тем, что после пересборки ядра система просто откажется загружаться. Так что ReiserFS не рекомендуется к употреблению на загрузочном разделе.
В отличие от ReiserFS, Ext3fs - не более чем журналируемая надстройка над классической Ext2fs, разработанная Стивеном Твиди в компании Red Hat и поддерживаемая ядром Linux, начиная с версии 2.4.16. Как следствие такого происхождения, она сохраняет со своей прародительницей полную совместимость, в том числе и на уровне утилит обслуживания (начиная с версии 1.21 объединяющего их пакета e2fsprogs). И переход от Ext2fs к Ext3fs может быть осуществлен простым добавлением файла журнала к первой, не только без переформатирования раздела, но даже и без рестарта машины.
Из этого вытекает первое преимущество Ext3fs, особенно весомое в случае большого парка компьютеров. Второе же - чуть ли не максимальная надежность: Ext3fs является единственной системой из рассматриваемых, в которой возможно журналирование операций не только с метаданными, но и с данными файлов. Ибо в Ext3fs предусмотрено три режима работы - полное журналирование (full data journaling), журналирование с обратной записью (writeback), а также задействуемое по умолчанию последовательное журналирование (ordered).
Режим полного журналирования, как легко догадаться из названия, распространяется и на метаданные, и на данные файлов. Все их изменения сначала пишутся в файл журнала и только после этого фиксируются на диске. В случае аварийного отказа журнал можно повторно перечитать, приведя данные и метаданные в непротиворечивое состояние. Этот механизм практически гарантирует от потерь данных, однако является наиболее медленным.
В режиме отложенной записи, напротив, в файл журнала записываются только изменения метаданных файлов, подобно всем рассмотренным ниже файловым системам. То есть никакой гарантии сохранности данных он не предоставляет, однако теоретически обеспечивает наибольшее (в рамках Ext3fs) быстродействие.
В последовательном режиме также физически журналируются только метаданные файлов, однако связанные с ними блоки данных логически группируются в единый модуль, называемый транзакцией (transaction).
И эти блоки записываются перед записью на диск новых метаданных, что, хотя и не гарантирует сохранности самих данных, весьма последней способствует. Причем - при меньших накладных расходах по сравнению с полным журналированием, обеспечивая промежуточный уровень быстродействия. Опять же в теории - на практике все может быть не совсем так.
Файловая система XFS, в отличие от молодых ReiserFS и ext3fs, развивается фирмой SGI для ее собственного варианта Unix на протяжении более десятка лет - впервые она появилась в версии Irix 5.3, вышедшей в 1994 г. Но в Linux она была портирована лишь недавно (текущая ее версия свободно доступна с SGI's XFS page - http://oss.sgi.com/projects/xfs), и штатно поддерживается ядром, лишь начиная с его ветки 2.6.X.
XFS - единственная 64-разрядная файловая система из используемых в Linux. Однако уникальность ее - не только в этом. Особенностями XFS являются:
В результате XFS предстает как очень сбаллансированная файловая система, ориентированная на размещение в очень больших дисковых разделах для рабботы с очень большими файлами.
И, наконец, эпоним журналируемых файловых систем, JFS (разработка IBM для собственной версии Unix, AIX), уже долгое время поддерживается ядром Linux в качестве нативной.
Однако по ряду причин широкого распространения здесь она не получила. Так что, за отсутствием собственного опыта, от ее характеристики воздержусь.
На уровне обмена данными и Linux, и BSD поддерживают множество файловых систем, некоторые - только в режиме чтения, другие же - и записи тоже. Важнейшими для пользователя являются файловые системы CD- и DVD-дисков (ISO9660 и UDF, соответственно) и вариации на тему FAT, а также NTFS (последняя - практически только в режиме чтения).
Кроме того, Linux и BSD теоретически поддерживают файловые системы друг друга. Теоретически - потому, что прочитать из Linux раздел с UFS - задача нетривиальная (а раздел с UFS2 - пока невозможная), запись же на него, как пишут в документации, - дело рискованное для сохранности данных. Во FreeBSD и DragonFlyBSD же поддерживается чтение и запись для файловых систем Ext2fs и Ext3fs без особых сложностей (по крайней мере, я с проблемами здесь не сталкивался). Ведутся работы по восприятию ReiserFS и XFS (пока - только в режиме чтения), существуют и патчи для доступа к JFS.
Все упомянутые выше файловые системы могут располагаться не только на реальных блочных устройствах (дисках и дисковых разделах), но и на виртуальных дисках - т.н. RAM-дисках. Впрочем, кроме того, что они располагаются в оперативной памяти (занимая некий фиксированный ее участок), в остальном они ведут себя точно так же, как и обычные дисковые разделы. Тем не менее, они знаменуют собой плавный переход к явлению, именуемому -
