Ext4

Az ext4 (fourth extended file system) naplózó fájlrendszer Linuxhoz, az ext3 utóda.

Az ext4 eredetileg az ext3 visszafelé kompatibilis bővítéseinek sora volt, melyek nagy részét a Cluster File Systems készítette a Lustre fájlrendszerhez 2003–2006 közt a tárhelyhatárok növelésére és más teljesítményjavításokhoz. Azonban más Linux-mag-fejlesztők stabilitási okokból nem fogadták el a kiterjesztéseket, és javasolták az ext3-kód leágazását, annak ext4-re való átnevezését és az ott történő fejlesztéseket a meglévő ext3-használók érintése nélkül. Ezt elfogadták, és 2006. június 28-án Theodore Ts'o, az ext3 karbantartója bejelentette az ext4 tervét.

Az ext4 előzetes verzióját tartalmazta a Linux 2.6.19. 2008. október 11-én az ext4-et stabilnak jelölő változtatások kerültek a Linux 2.6.28 repozitóriumokba, az ext4 fejlesztése befejeződött, bevezetése ajánlott lett. E verzió 2008. december 25-én jelent meg. 2010. január 15-én a Google közölte, hogy tárhely-infrastruktúráját ext2-ről ext4-re frissíti. 2010. december 14-én azt is közölte, hogy az Android 2.3 YAFFS helyett ext4-et használ.

Használat

Az ext4 számos Linux-disztribúció, például a Debian és az Ubuntu alapértelmezett fájlrendszere.

Jellemzők

• Nagy fájlrendszer: az ext4 elvileg 64 ZiB-os köteteket és 16 TiB-os fájlokat is képes támogatni 4 KiB-os blokkmérettel, 64 KiB-os csoportokkal pedig akár 1 YiB-os köteteket is támogathat, de a formátum korlátai miatt 1 EiB a gyakorlati felső határ. A maximális fájl-, könyvtár- és fájlrendszerméret legalább a fájlrendszerblokkmérettel arányosan nő az ARM és PowerPC/Power ISA CPU-kon elérhető 64 KiB-os blokkméretig.
• Extentek: Az ext2 és 3 által használt blokkhozzárendelések helyett az ext4-ben extentek vannak. Ezek összefüggő fizikai blokkokból álló tartományok, javítva a teljesítményt nagy fájloknál, és csökkentve a töredezettséget. Egy extent az ext4-ben legfeljebb 128 MiB lehet 4 KiB blokkmérettel. Az inode közvetlenül 4 extentet tárolhat. Ha ennél többől áll egy fájl, a többi indexelése faszerkezetben történik.
• Visszafelé kompatibilitás:
  • Az ext4 kompatibilis az ext3-mal és az ext2-vel, lehetővé téve az ext3- és ext2-kötetek ext4-kénti csatlakoztatását. Ez kissé javítja a teljesítményt, mivel az ext4 egyes új funkciói használhatók ext3-mal és 2-vel, mint például az új blokkhozzárendelő algoritmus, formátumváltoztatás nélkül.
  • Az ext3 részben kompatibilis az ext4-gyel. Az ext4 nem csatlakozik ext3-ként rögtön, kivéve egyes funkciók (például ^extent, ^flex_bg, ^huge_file, ^uninit_bg, ^dir_nlink és az ^extra_isize) létrehozáskori letiltásával.
• Állandó előallokáció: Az ext4 előre hozzárendelhet egy fájlhoz tárhelyet. Ehhez a fájlhoz 0-k írandók a létrehozáskor. Az ext4-ben és egyes más fájlrendszerekben, például az XFS-ben a fallocate() használható. A terület-hozzárendelés biztos, a terület valószínűleg folytonos lesz. Ez adatfolyamoknál és adatbázisokban használatos.
• Késleltetett terület-hozzárendelés: Az ext4 ürítéskori hozzárendeléssel (más néven késleltetett hozzárendelés) is rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy az adat meghajtóra helyezéséig az ext4 késlelteti a hozzárendelést, ezzel szemben egyes fájlrendszerek azonnal hozzárendelnek blokkokat az adatokhoz, akkor is, ha írógyorsítótárba kerül az adat. Ez javítja a teljesítményt és csökkenti a töredezettséget több adat egyidejű hozzárendeelésével.
• Korlátlan számú almappa: az ext4 nem korlátozza egy mappa almappáinak számát a mappa mérethatárain túl (ext3-ban egy mappában legfeljebb 32 000 almappa lehetett). A nagyobb mappák melletti változatlan teljesítményhez az ext4 a Linux 2.6.23-tól H-fát (a B-fa speciális változata) használ, lehetővé téve 10-12 millió bejegyzéses mappák 2 szintű H-fában tárolását és 2 GB-os mappamérethatárt 4 KiB-os blokkok esetén, fájlnévtől függően. A Linux 4.12-ben megjelent a largedir funkcióval a 3 szintű H-fa és 2 GB feletti mappaméret, 6 milliárd bejegyzést lehetővé téve egy mappában.
• Napló-ellenőrzőösszegek: Az ext4 ellenőrző összegeket használ a naplóban a megbízhatóság javítására, hiszen ez az egyik leggyakrabban használt fájl. Ez ezenkívül elkerüli az I/O-várakozást naplózáskor, javítva a teljesítményt. A napló-ellenőrzőösszeget a Wisconsini Egyetemben megjelent IRON File Systems című cikk ihlette (ezen belül a 6. szakasz, melynek címe „Transaction checksums”), a megvalósításban az IRON fájlrendszertől kissé eltérve (melyet eredetileg Sam Naghshineh javasolt a RedHat-találkozón).
• Metaadat-ellenőrzőösszegek (a Linux 3.5 (2012) óta)
• Gyorsabb fájlrendszer-ellenőrzés: az ext4-ben az üres blokkcsoportok és szakaszok ekként vannak jelölve, lehetővé téve az e2fsck-nak ezek kihagyását és a fájlrendszer-ellenőrzéshez szükséges idő csökkenését. Ez a Linux 2.6.24-ben jelent meg.
• Több blokk hozzárendelése: Ha az ext3-ban egy fájl megnő, a blokkhozzárendelést blokkonként hívja meg, így ha több egyidejű írás is van, a fájlok könnyen töredezhetnek. Az ext4 azonban késleltetett hozzárendelést használ, lehetővé téve az adatpufferelést és blokkcsoportok hozzárendelését. Így jobban dönthet a hozzárendelő a fájlok folytonos hozzárendelése kapcsán. Ez használható ezenkívül O_DIRECT módban nyitott fájlokkal, és nem változtatja meg a meghajtó formátumát.
• Jobb időbélyegzők:
  • A gyorsabb számítógépek és a Linux egyre fontosabb alkalmazásai miatt a másodpercalapú időbélyegzők nem elegendőek, ezt az ext4 nanoszekundum-alapú időbélyegzővel oldja meg. Ezenkívül 2 bit került hozzá a másodpercek legértékesebb bitjéhez a 2038-as probléma elkerülésére további 408 évre.
  • Az ext4 ezenkívül a létrehozási idő bélyegzőit is támogatja. Azonban ahogy Theodore Ts'o említette, bár könnyű hozzáadni létrehozásdátum-mezőt az inode-hoz (lehetővé téve ezek támogatását ext4-ben), nehezebb a megfelelő rendszerhívások (például a stat) és az ezeken alapuló könyvtárak (például a glibc) hozzáadását vagy módosítását. Ezek számos projekt koordinálását igénylik. Így az ext4 által tárolt létrehozási idő csak statx API-val rendelkező programokon érhető el Linuxon.
• Projektkvóták: A Linux 4.4-ben (2016. január 8.) jelent meg a projektkvóták támogatása. Ez lehetővé teszi tárhelykvóták adott projektazonosítóhoz rendelését. Egy fájl projektazonosítója a fájlon tárolt 32 bites szám, melyet minden adott projektazonosítóval rendelkező szülőkönyvtár fájljai és alkönyvtárai örökölnek. Ez lehetővé teszi kvóták adott könyvtárfához rendelését függetlenül a fájlhozzáférési engedélyektől, például beállíthatók UID-en és GID-en alapuló kvóták. Bár ez hasonlít a könyvtárkvótákra, a különbség az, hogy azonos projektazonosítója lehet több felső szintű könyvtárnak, így az nem szigorúan hierarchikus.
• Átlátszó titkosítás: megjelent a Linux 4.1-ben (2015. június).
• „Lusta” inicializáció: a lazyinit lehetővé teszi az inode-táblák háttérben való tisztítását, felgyorsítva új fájlrendszer létrehozásakor. az inicializációt. A Linux 2.6.37-ben (2010) jelent meg.
• Íráshatárok: ezek biztosítják a fájlrendszeri metaadatok megfelelő írását és rendszerezését. Ez teljesítménybeli költséget okoz, különösen fsyncet sokat használó, illetve sok kis fájlt létrehozó és törlő alkalmazások esetén. Akkumulátoros írógyorsítótár esetén a határok letiltása („barrier=0”) biztonságosan javíthatja a teljesítményt.

Korlátok

2008-ban az ext3 és ext4 fő fejlesztője, Theodore Ts'o kijelentette, hogy bár az ext4-nek számos jobb funkciója van, nem jelentős újítás: régi technológiát használ, és időleges megoldás. Szerinte a Btrfs jobb, mivel „jobban méretezhető, megbízhatóbb, és könnyebben kezelhető”. A Btrfs-ben ezenkívül „számos hasonló ötlet van a reiser3/4-hez”. Azonban az ext4 új funkciókat kapott, például titkosítást és metaadat-ellenőrzőösszegeket.

Az ext4 nem használja a „biztonságos törlés” attribútumot, mely törléskor a fájlok felülírását okozta volna. Egy ilyet tartalmazó változtatást javasoltak 2011-ben, de nem oldotta meg az érzékeny adatok naplóba kerülését.

Késleltetett hozzárendelés és lehetséges adatvesztés

Mivel a késleltetett hozzárendelés megváltoztatja az ext3-hoz képest a viselkedést, e funkció további lehetséges adatvesztést okozhat, amennyiben a rendszer összeomlik vagy leáll az összes adat kiírása előtt. Így az ext4 a 2.6.30 verziótól ez eseteket az ext3-hoz hasonlóan kezeli.

Általában ez egy fájl tartalmát a módosítások kiírásának fsynckel való kényszerítése nélkül módosító program esetén fordul elő. Két gyakori módja van egy fájl módosításának Unix-alapú rendszeren:

fd=open("file", O_TRUNC); write(fd, data); close(fd);

Ez esetben egy létező fájl nyitáskor megszűnik (az O_TRUNC paraméter miatt), majd új adatok kiírása történik. Mivel az írás eltarthat némi ideig, lehetséges ext3-mal is az adatvesztés, de ez ritka. Azonban mivel az ext4 képes hosszú ideig késleltetni a kiírást, ez gyakoribb lehet ekkor.

Számos probléma történhet:

1. Ha az írás nem sikerül (például az íróprogram hibái vagy külső körülmények, például teli meghajtó miatt), mindkét fájlverzió elvész, és a fájl sérülhet, mivel csak egy részét írta ki a program.
2. Ha más folyamatok férnek a fájlhoz annak írása közben, sérült változatot látnak.
3. Ha más folyamatokban nyitva van a fájl, és nem várják annak megváltozását, ezek összeomolhatnak. Példa erre egy megosztott könyvtári fájl, mely futó programokba van leképezve.

Emiatt gyakran az alábbit használják inkább:

fd=open("file.new"); write(fd, data); close(fd); rename("file.new", "file");

Új ideiglenes fájl jön létre file.new néven az új tartalmakkal, majd annak az átnevezése történik meg a régi névre. A rename() révén történő felülírás atomiságát a POSIX szabványok biztosítják – vagyis vagy megmarad a régi fájl, vagy felülírja az új. Az ext3 alapértelmezett „rendezett” naplózása biztosítja, hogy a fájladatok a metaadatok előtt íratnak ki, biztosítva, hogy a régi és az új fájlok valamelyike megmarad. Az ext4 késleltetett hozzárendelése ezen elvárást nem teljesíti: a fájlírás hosszan késleltethető, és az átnevezés az új fájl tartalmainak kiírása előtt történik.

Az fsync() kockázatcsökkentésért való gyakoribb használata a legtöbb Linux-disztribúción alapértelmezett data=ordered paraméterrel csatlakoztatott ext3 fájlrendszereken teljesítménycsökkenést okozhat. Mivel mindkét fájlrendszer használatban lesz bizonyos időre, ez bonyolítja a fejlesztők feladatait. Az ext4 a Linux 2.6.30-tól észleli e gyakori eseteket, és kényszeríti a fájlok azonnali hozzárendelését. Ez az ext3 rendezett módjához hasonló szemantikát biztosít, és növeli az esélyét, hogy az egyik fájlváltozat túléli az összeomlást. Ez az új viselkedés az alapértelmezett, de letiltható a „noauto_da_alloc” beállítással.

E változtatások a fő mag 2.6.30 verziójában vannak jelen, de egyes disztribúciók 2.6.28-on és 2.6.29-en is működőképessé tették.

Ezek nem gátolják meg teljesen az adatvesztést, vagy segítenek az új fájlokkal. Az egyetlen biztonságos mód olyan szoftverek írása és használata, mely szükség esetén fsyncet használ. A teljesítményproblémák a fsyncet igénylő írási műveletek számának korlátozásával oldhatók meg.

Megvalósítás

A Linux-mag virtuális fájlrendszere a Linux-magon belüli alrendszer, több fájlrendszer egy szerkezetbe való integrálására tett kísérlet eredménye. A Sun Microsystems alkalmazottainak 1986-ban végzett munkájára visszavezethető ötlet a minden fájlrendszerben közös rész kiemelése és önálló rétegbe helyezése, mely a fájlrendszereket hívja az adat tényleges kezeléséhez.

Minden fájlhoz vagy álfájlhoz tartozó rendszerhívás a Linux rendszermag virtuális fájlrendszeréhez kerül feldolgozásra. Ezek szabványos POSIX-hívások, például open, read, write, lseek stb.

Jegyzetek

Fordítás

• Ez a szócikk részben vagy egészben az ext4 című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Kapcsolódó szócikkek

• Btrfs
• XFS
• ZFS

További információk

• Az ext4 dokumentációja a Linux kódjában
• Theodore Ts'o gondolatai az ext4-ről, 2006. június 29.
• „ext4 online defragmentation” Archiválva 2019. december 30-i dátummal a Wayback Machine-ben. (a 2007-es ottawai Linux Symposium anyaga)
• „The new ext4 filesystem: current status and future plans” (a 2007-es ottawai Linux Symposium anyaga)
• Kernel Log: Ext4 completes development phase as interim step to btrfs, 2008. október 17.
• "Ext4 block and inode allocator improvements" Archiválva 2010. március 31-i dátummal a Wayback Machine-ben. (a 2008-as ottawai Linux Symposium anyaga)
• "Ext4: The Next Generation of Ext2/3 Filesystem"
• Ext4 (and Ext2/Ext3) Wiki
• Ext4 wiki a kernelnewbies.org oldalon
• Az ext4 és más fájlrendszerek natív Windows-portja CROSSMETA
• Ext2read: Windows-alkalmazás ext2–4-fájlok olvasására/másolására extent- és LVM2-támogatással.
• Ext2Fsd Nyílt forrású ext2–4 író/olvasó szoftver Windowshoz. Az ext4 a 0.50 verziótól támogatott.
• Ext4fuse nyílt forrású olvasható ext4-szoftver FUSE-hoz. (Mac OS X 10.5-től támogatja, MacFuse-ot használ)