對文件系統和ZFS設計的思考

在我看來，文件系統的發展大致分為下面幾個階段。

第一階段，解決如何在塊設備上構建文件系統的問題，也就是把塊地址轉變成文件和樹形目錄等概念，這樣更方便。fat/ufs/ffs/ext2/minix等都處于這個階段。這個階段的文件系統設計者考慮最多的如何實現這些概念，對性能，可靠性，其他增值特性考慮較少。

第二階段，在第一階段的基礎上，嘗試解決性能、可靠性、可擴展性等問題。這個階段的文件系統包括：xfs、ext3、ReiserFS、NTFS、vxfs、lfs等。這些文件系統并沒有提供更豐富的功能，但是對內部設計做了很多改進。很多文件系統都支持日志型，崩潰之后可以快速回復，有些文件系統還是log-structure的。很多文件系統使用了B+樹來組織目錄和文件內的數據塊布局，xfs/ReiserFS。很多文件系統的inode table是擴展的，NFS/vxfs/xfs...。

第三個階段，突破POSIX規范的限制，提供更豐富的功能。這個階段的文件包括：ZFS、btrfs、ext4等等。這些功能主要包括：快照、多硬盤支持、重刪、RAID等等。btrfs和ext4要更保守一些，嚴格說來還算不上第三代。ZFS更加激進一些。

ZFS在設計上有很多創新，比如：

-在文件系統中實現RAID，這個功能以前是在磁盤陣列中實現的。

-提升了對可靠性的重視水平，為每個數據塊做強校驗。

-引入了SSD作為L2cache，

-引入了dedup功能，增強了ACL。

-文件系統架構被設計成兩層：(1) 基礎設施層，object、sio、zap等；（2）文件系統層，ZPL。

也繼承了一些其他文件系統的設計，比如：ROW/日志性文件系統（WAFL/lfs）。拋棄了一些，比如fsck、B+ Tree等。

對ZFS的贊美很多了，附件集中描述了ZFS的優點。是不是真的像是ZFS開發者聲稱的那樣，ZFS是這個世界上最后一個文件系統了，沒有必要再開發其他文件系統了？下面我們從另外的角度，思考一下ZFS設計中還有那些地方值得改進。

1.文件內部定長塊，用direct-map組織文件布局，沒有使用變長的extent和B+樹組織文件內的布局

ZFS拋棄了被vxfs/xfs等文件系統采用的變長extent。extent的好處是：元數據少，提升性能，特別是大文件隨即讀性能和大文件刪除性能。不清楚ZFS為啥不用。

2.ZFS的空間利用不是特別有效，運行時間長了會有很多碎片，這是ROW文件系統的普遍問題，btrfs有在線碎片整理，似乎ZFS沒有。碎片帶來幾個問題：a、新數據寫入時，查找空閑塊的效率降低，影響寫入性能；b、新寫入的數據塊在硬盤上不連續，順序讀出的性能變差；c、ZFS使用space-map管理空閑塊，多個小的、碎片化的空閑塊需要更多的space-map條目來描述，需要占用更多內存。

3.對于這種應用場景“大文件，順序讀為主，更改頻繁”，性能差，ROW會把原本地址連續的大文件變為不連續。

4.CPU開銷比較大，這是因為ZFS增加了對數據塊的校驗和RAID。

5.不支持目錄級別的可寫快照

6.重刪特性可用性差，ZFS采用定長分塊，并且分塊粒度比較大，指紋查找的性能也不太好。

7.RAIDZ恢復性能，當出現硬盤失效時，ZFS的RAIDZ是通過遍歷文件來進行數據重構的，當文件數量很少的時候，可以很快完成，當文件數量較多的時候，性能就會很差。對用戶來說，最不能忍受的是性能不穩定，重構時間不確定。

8.同步處理流程，等待IO操作完成時，掛起當前進程。幾乎現有所有文件系統都是這樣的，但是對于打算支持多硬盤的文件系統來說，最好采用異步模式。理論上說，采用同步流程的文件系統，要想充分利用硬盤能夠提供的性能，就需要與所有硬盤并發IO數量相同的線程數量。假設每個硬盤最多能支持10并發IO，那么就需要每塊硬盤就要10個線程才能被充分利用，當系統中有200塊硬盤的時候，就需要2000個線程，這2000個線程在4 - 8個CPU核心上被頻繁切換，開銷是比較大的。

9．兩層架構和object抽象，ZFS的兩層架構增加了代碼規模，在一定程度上限制了靈活性。猜測，在ZFS開始設計那個年代，對象存儲的概念剛剛被提出，也許ZFS是為了利用對象硬盤做準備。

10.對SSD的使用，ZFS把SSD用作L2cache。在存儲行業中，除了把SSD用作讀cache之外，還另外一種用法，分級存儲，ZFS不支持這種用法。

11.FCL(vxfs)和inotify(linux)，文件更改列表(FCL, file change list)，或者文件更改通知（inode notify）。很多應用需要這個功能，比如備份，或者遠程復制，需要知道上次備份以來，哪些文件更改了。安全（防病毒），需要知道上次檢查之后，哪些文件更改了。ZFS似乎不支持。

相對于現存的其他文件系統來說，ZFS足夠好了。

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