一種新的 Linux 文件系統的公佈總是令人既興奮又恐懼。興奮是因爲文件系統意味着新的發展空間。恐懼是因爲文件系統在早期還是試驗性的，尚未迎來黃金時期。但是有時候，新 文件系統的公佈也意味着對 Linux 未來的投資，而最近 2.6.30-rc1 的公佈確實標示着令人感興趣的前景。在過去幾個季度，Linux 主要公佈了三種文件系統。2008 年底引入了 B-Tree File System（Btrf），最近又引入了兩種獨特的文件系統：NiLFS(2) 和 exofs。
我們首先了解這些非傳統文件系統，然後探索 NiLFS(2) 和 exofs 的細節。
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日誌結構文件系統在現代計算系統中有豐富的歷史。第一個日誌結構文件系統由 John Ousterhout 和 Fred Douglis 在 1988 年提出，隨後由 Sprite 操作系統在 1992 年實現。顧名思義，日誌結構文件系統將文件系統視爲一個循環日誌，將新的數據和文件系統元數據寫到日誌的頭部，並且從尾部回收空閒空間（如圖 1 所示）。這意味着數據可能在日誌中出現兩次或更多次，但是由於日誌是按時間先後順序發展的，最近的數據被視作活動數據。日誌中保留數據的多個副本可以帶來 一些有趣的優點，後面將詳細談到這些優點。
與其說日誌結構方法是一個賣點，不如說它是體系結構上的一個細節，不過這種方法確實有一些獨特的優點。一個關鍵的優點在於系統崩潰後的數據恢 復，當使用日誌結構方法時，這種恢復更簡單。
另一個優點是利用底層存儲系統挖掘性能。您也許還記得，連續寫到硬盤比隨機 I/O 要快得多。如果所有的寫都是連續的，那麼查找的開銷隨之減少，從而可以獲得更快的硬盤 I/O，進而得到更快的文件系統。
傳統存儲系統依賴於磁盤驅動器和它們的本地接口持久地存儲數據。這些接口依賴於塊存儲語義，大小固定的數據小塊與它們的映射（文件系統元數 據）相關聯。對象存儲系統則採用截然不同的方法：它們不是管理大小固定的數據塊，而是管理大小可變的對象以及相關聯的元數據（提供關於對象的系統級信 息）。
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對象存儲系統是解決包含多租戶和安全性的可伸縮存儲的唯一途徑。構建作爲一種標準的 OSD（見側邊欄）的方式有很多種。例如可以使用遵從 OSD 的組件（例如 OSD 驅動器和啓動器）或更高級的組件（在傳統驅動器上構建 OSD 行爲的目標系統）。但是，基於塊的存儲系統與基於對象的存儲系統之間的根本區別在於，在基於塊的存儲系統中，是從塊集合創建對象的，塊中既包括數據，又包 括使用某種協議與塊通信的元數據。而在基於對象的存儲系統中，是與對象和它們的關聯元數據通信的（如圖 2 所示）。於是，對象存儲設備成爲對象的平面名稱空間（flat namespace），必要時，在存儲系統棧中的更高層建立層次結構。
本文探索基於對象的存儲系統上的一種文件系統的實現。
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NiLFS(2) 是日本 Nippon Telegraph and Telephone（NTT）開發的一種日誌結構文件系統的第二次迭代。該文件系統的開發非常活躍，最近已進入主流 Linux 內核（另外還有 NetBSD 內核）。第一版的 NILFS（version 1）出現於 2005 年，這個版本沒有任何形式的垃圾收集。在 2007 年，第 2 版首次發佈，其中包括一個垃圾收集器，並且可以創建和維護多個快照。今年（2009），NiLFS(2) 文件系統進入主流內核，可通過安裝它的可裝載模塊方便地啓用它。
NiLFS(2) 一個有趣的方面是，它支持連續快照（continuous snap-shotting）技術。由於 NILFS 是基於日誌結構的，新數據被寫到日誌的頭部，而舊數據仍然保留（直到需要對舊數據進行垃圾收集）。由於舊數據仍被保留，因此可以在時間線上回滾，以檢查文 件系統的不同時期（epoch）。在 NiLFS(2) 中，這些時期被稱作檢查點，它們是文件系統中不可或缺的一部分。每 當發生改變時，NiLFS(2) 都會創建這些檢查點，但是也可以強制創建檢查點。
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可以在快照中查看和更改檢查點（恢復點）。可以像其他文件系統一樣將快照掛載到 Linux 文件系統空間中，但是目前它們還是隻讀的。這一點非常有用，因爲可以掛載快照，然後恢復之前刪除的文件，或者檢查之前版本的文件。
除了連續快照外，NiLFS(2) 還具有很多其他的優點。從可用性的角度看，最重要的優點是快速重啓。如果當前檢查點失效，文件系統只需回滾到上一個有效的檢查點，重新獲得有效的文件系 統。這顯然好於 fsck 進程。
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雖然連續快照是一個很好的特性，但是也有一定的副作用。前面已經提到，它的優點在於它是日誌結構的，採用連續寫的方式（減少物理磁盤的查找行 爲），因此非常快。而缺點在於，它是日誌結構的，所以需要垃圾收集，以便清理舊的數據和元數據。一般情況下，這種文件系統非常快，但是一旦需要進行垃圾收 集，性能就會慢下來。
我們來看看 NiLFS(2) 的實際應用。這個演示展示如何在循環設備上創建一個 NiLFS(2) 文件系統（測試文件系統的一種簡單方法），然後看看 NiLFS(2) 的一些特性。首先安裝 NiLFS(2) 內核模塊：
$ sudo modprobe nilfs2 |
接下來，創建一個文件，該文件將包含文件系統（主機操作系統上的一個區域，可通過循環設備將它掛載爲操作系統本身的文件系統），然後使用 mkfs 在其中構建 NiLFS(2) 文件系統（如圖 1 所示）。
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現在，您有了自己的以 NiLFS(2) 文件系統格式初始化的磁盤鏡像。接下來，使用循環設備將該文件系統掛載到一個掛載點上（如清單 2 所示）。注意，當掛載文件系統時，會啓動一個用戶空間程序 nilfs_cleanerd，以提供垃圾收集服務。
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現在，在該文件系統中添加一些文件，然後使用 lscp 命令列出當前可用的檢查點（如清單 3 所示）。使用 mkcp 命令定義一個快照，然後再次查看檢查點。第二次執行 lscp 命令時可以看到新創建的快照（所有檢查點和快照都有一個 CNO，或檢查點號）。
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現在有了一個快照，接下來同樣使用 touch 命令再將一些文件添加到當前文件系統中（如清單 4 所示）。
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現在，掛載快照作爲一個只讀文件系統。這和之前的掛載類似，但是需要指定掛載的快照。爲此可以使用 cp 選項。從之前的 lscp 命令中可以看出，快照是 CNO=2。在 mount 命令中使用這個 CNO 掛載只讀文件系統。掛載後，首先使用 ls 命令列出掛載的讀/寫文件系統，然後查看所有的文件。在只讀快照中，只能看到兩個文件，這兩個文件是創建快照時存在的兩個文件（如清單 5 所示）。
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注意，一旦將檢查點轉換爲快照，這些快照將持久存在。當需要清理出空間時，檢查點會被從文件系統中回收，而快照可以持久存在。
該演示展示了用於 NiLFS(2) 的兩個命令行實用程序：lscp（列出檢查點和快照）和 mkcp（創 建檢查點或快照）。有一個名爲 chcp 的實用程序，用於將檢查點轉換爲快照，或者將快照轉換爲檢查點；還有一個 rmcp 實用程序，用於使檢查點或快照無效。
鑑於這種文件系統是臨時性的，NTT 已經爲將來考慮了一些非常有創新性的工具 — 例如，tls（臨時 ls）、tdiff（臨 時 diff）和tgrep（臨時 grep）。下一步引入基於時間 的功能似乎是合乎情理的。
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Extended Object File System（exofs）
Extended Object File System（exofs）是構建在對象存儲系統上的一種傳統的 Linux 文件系統。exofs 最初由 IBM 的 Avnishay Traeger 開發，當時被稱作 OSD 文件系統，或稱作 osdfs。然後，Panasas（一家構建對象存儲系統的公司）接管該項目，並將它重新命名爲 exofs（因爲它的祖先來自 ext2 文件系統）。
從概念上講，對象存儲系統可以視作對象的平面名稱空間和它們的關聯元數據。而在基於塊的傳統存儲系統，元數據要佔用一些塊，以提供語義黏合 劑。圖 3 顯示 exofs 的架構圖。Virtual File System Switch（VFS）爲 exofs 提供一條途徑，在其中，exofs 通過一個本地 OSD 啓動器與對象存儲系統通信。OSD 啓動器實現 OSD T-10 標準 SCSI 命令集。
exofs 背後的思想是在 OSD 後備存儲上提供一個傳統文件系統。這樣一來，就更容易遷移到對象級存儲，因爲提供的文件系統本身是傳統的文件系統。
OSD 中的每個對象由平面名稱空間中一個 64 位的標識符表示。爲了將標準 POSIX 接口疊加到對象存儲系統上，需要一個映射。exofs 提供一個簡單的映射，這種映射還是可伸縮、可擴展的。
文件系統中的文件由 inode 唯一地表示。exofs 將 inode 映射到對象系統中的對象標識符（OID）。在對象系統中，使用對象表示文件系統的所有元素。文件被直接映射到對象，目錄也是文件，只不過是引用目錄中所含 文件的文件（採用文件名和 inode-OID 對的形式）。圖 4 簡明地闡釋了這一點。另外還有一些其他的對象，用於支持 inode 位圖（用於 inode 分配）等。
用於表示對象空間中的對象的 OID 長度爲 64 位，因此支持非常多的對象。
對象存儲是一個有趣的思想，可大幅提高系統的可伸縮性。它將文件系統的一些部分從主機轉移到存儲子系統中。爲此需付出一定的代價，但是通過將 文件系統的一些部分分佈到多個端點，可以分散工作負載，使基於對象的方法更易於伸縮到更大的存儲系統。主機操作系統不再需要考慮塊到文件的映射，存儲設備 本身會提供這種映射，因此主機可以在文件級進行操作。
對象存儲系統還提供查詢可用元數據的能力。這可以帶來更多的好處，因爲搜索能力可以分佈到端點對象系統。
最近，對象存儲在雲存儲領域迴歸。雲存儲提供商（將存儲作爲服務出售）以對象的形式提供他們的存儲，而不是以傳統的塊 API 的形式提供存儲。這些提供商實現用於對象傳輸、管理和元數據管理的 API。
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雖然 NiLFS(2) 和 exofs 將成爲現有 Linux 文件系統的令人感興趣的、有用的補充，但是還有更多的文件系統相繼涌現。我們看到了最近引入的 Btrfs（來自 Oracle），它爲 Sun Microsystems 的 Zettabyte File System（ZFS）提供 Linux 選擇。另一個最近出現的文件系統是 Ceph，它提供一個可靠的基於 POSIX 的分佈式文件系統，這種文件系統沒有單點故障。今天，我們發現一種新的日誌結構文件系統，並看到一個文件系統被引入到對象存儲上。Linux 不斷證明它是一流的研究平臺，也是企業級的操作系統。