日志文件系统可以在系统发生断电或者其它系统故障时保证整体数据的完整性，Linux是目前支持日志文件系统最多的操作系统之一，本文重点研究了Linux常用的日志文件系统：EXT3、ReiserFS、XFS和JFS日志技术，并采用标准的测试工具PostMark和 Bonnie++对它们进行了测试，给出了详细的性能分析，对Linux服务器应用具有重要的参考价值。
一、概述
所谓日志文件系统是在传统文件系统的基础上，加入文件系统更改的日志记录，它的设计思想是：跟踪记录文件系统的变化，并将变化内容记录入日志。日志文件系统在磁盘分区中保存有日志记录，写操作首先是对记录文件进行操作，若整个写操作由于某种原因(如系统掉电)而中断，系统重启时，会根据日志记录来恢复中断前的写操作。在日志文件系统中，所有的文件系统的变化都被记录到日志，每隔一定时间，文件系统会将更新后的元数据及文件内容写入磁盘。在对元数据做任何改变以前，文件系统驱动程序会向日志中写入一个条目，这个条目描述了它将要做些什么，然后它修改元数据。目前Linux的日志文件系统主要有：在Ext2基础上开发的Ext3，根据面向对象思想设计的ReiserFS，由SGI IRIX系统移植过来的XFS，由IBM AIX系统移植过来的JFS，其中EXT3完全兼容EXT2，其磁盘结构和EXT2完全一样，只是加入日志技术；而后三种文件系统广泛使用了B树以提高文件系统的效率。
二、Ext3
Ext3 文件系统是直接从Ext2文件系统发展而来，目前Ext3文件系统已经非常稳定可靠，它完全兼容Ext2文件系统，用户可以平滑地过渡到一个日志功能健全的文件系统。Ext3日志文件系统的思想就是对文件系统进行的任何高级修改都分两步进行。首先，把待写块的一个副本存放在日志中；其次，当发往日志的 I/O 数据传送完成时（即数据提交到日志），块就写入文件系统。当发往文件系统的I/O 数据传送终止时（即数据提交给文件系统），日志中的块副本就被丢弃。
2.1 Ext3日志模式
Ext3既可以只对元数据做日志，也可以同时对文件数据块做日志。具体来说，Ext3提供以下三种日志模式：
日志（Journal ）
文件系统所有数据和元数据的改变都记入日志。这种模式减少了丢失每个文件所作修改的机会，但是它需要很多额外的磁盘访问。例如，当一个新文件被创建时，它的所有数据块都必须复制一份作为日志记录。这是最安全和最慢的Ext3日志模式。
预定（Ordered ）
只有对文件系统元数据的改变才记入日志。然而，Ext3文件系统把元数据和相关的数据块进行分组，以便把元数据写入磁盘之前写入数据块。这样，就可以减少文件内数据损坏的机会；例如，确保增大文件的任何写访问都完全受日志的保护。这是缺省的Ext3 日志模式。
写回（Writeback ）
只有对文件系统元数据的改变才记入日志；这是在其他日志文件系统发现的方法，也是最快的模式。
2.2 日志块设备（JBD）
Ext3 文件系统本身不处理日志，而是利用日志块设备（Journaling Block Device）或叫JBD 的通用内核层。Ext3文件系统调用JDB例程以确保在系统万一出现故障时它的后续操作不会损坏磁盘数据结构。Ext3 与JDB 之间的交互本质上基于三个基本单元：日志记录，原子操作和事务。
日志记录本质上是文件系统将要发出的低级操作的描述。在某些日志文件系统中，日志记录只包括操作所修改的字节范围及字节在文件系统中的起始位置。然而，JDB 层使用的日志记录由低级操作所修改的整个缓冲区组成。这种方式可能浪费很多日志空间（例如，当低级操作仅仅改变位图的一个位时），但是，它还是相当快的，因为JBD 层直接对缓冲区和缓冲区首部进行操作。
修改文件系统的任一系统调用都通常划分为操纵磁盘数据结构的一系列低级操作。如果这些低级操作还没有全部完成系统就意外宕机，就会损坏磁盘数据。为了防止数据损坏，Ext3文件系统必须确保每个系统调用以原子的方式进行处理。原子操作是对磁盘数据结构的一组低级操作，这组低级操作对应一个单独的高级操作。


4.1 分配组（allocation groups）
当创建 XFS 文件系统时，底层块设备被分割成八个或更多个大小相等的线性区域（region），用户可以将它们想象成"块"（chunk）或者"线性范围（range）"，在 XFS 中，每个区域称为一个"分配组"。分配组是唯一的，因为每个分配组管理自己的索引节点（inode）和空闲空间，实际上是将这些分配组转化为一种文件子系统，这些子系统透明地存在于 XFS 文件系统内。有了分配组，XFS 代码将允许多个线程和进程持续以并行方式运行，即使它们中的许多线程和进程正在同一文件系统上执行大规模 IO 操作。因此，将 XFS 与某些高端硬件相结合，将获得高性能而不会使文件系统成为瓶颈。分配组在内部使用高效的 B+树来跟踪主要数据，具有优越性能和极大的可扩展性。
4.2 日志记录
XFS 也是一种日志记录文件系统，它允许意外重新引导后的快速恢复。象 ReiserFS 一样，XFS 使用逻辑日志；它不象 ext3 那样将文字文件系统块记录到日志，而是使用一种高效的磁盘格式来记录元数据的变动。就 XFS 而言，逻辑日志记录是很适合的；在高端硬件上，日志经常是整个文件系统中争用最多的资源。通过使用节省空间的逻辑日志记录，可以将对日志的争用降至最小。另外，XFS 允许将日志存储在另一个块设备上，例如，另一个磁盘上的一个分区。这个特性很有用，它进一步改进了 XFS 文件系统的性能。
4.3 延迟分配
延迟分配是 XFS 独有的特性，它是查找空闲空间区域并用于存储新数据的过程。通过延迟分配，XFS 赢得了许多机会来优化写性能。到了要将数据写到磁盘的时候，XFS 能够以这种优化文件系统性能的方式，智能地分配空闲空间。尤其是，如果要将一批新数据添加到单一文件，XFS 可以在磁盘上分配一个单一、相邻区域来储存这些数据。如果 XFS 没有延迟它的分配决定，那么，它也许已经不知不觉地将数据写到了多个非相邻块中，从而显著地降低了写性能。但是，因为 XFS 延迟了它的分配决定，所以，它能够一下子写完数据，从而提高了写性能，并减少了整个文件系统的碎片。在性能上，延迟分配还有另一个优点。在要创建许多"短命的"临时文件的情况下，XFS 可能根本不需要将这些文件全部写到磁盘。因为从未给这些文件分配任何块，所以，也就不必释放任何块，甚至根本没有触及底层文件系统元数据。
五、JFS
JFS 由IBM 公司开发，最初出现在AIX 操作系统之上，它提供了基于日志的字节级、面向事务的高性能文件系统。它具有可伸缩性和健壮性，与非日志文件系统相比，它的优点是其快速重启能力：JFS 能够在几秒或几分钟内就把文件系统恢复到一致状态。JFS 是完全 64 位的文件系统。所有 JFS 文件系统结构化字段都是 64 位大小。这允许 JFS 同时支持大文件和大分区。
为了支持 DCE DFS（分布式计算环境分布式文件系统），JFS 将磁盘空间分配池（称为聚集）的概念, 与可安装的文件系统子树（称为文件集）的概念分开。每个分区只有一个聚集；每个聚集可能有多个文件集。在第一个发行版中，JFS 仅支持每个聚集一个文件集；但是，所有元数据都已设计成适用于所有情况。
如图3所示，聚集开始部分是32K的保留区，紧随其后的是聚集主超级块。超级块包含聚集的信息，例如：聚集的大小、分配组的大小、聚集块的尺寸等等。超级块位于固定位置，这使得 JFS 不依赖任何其它信息，就能够找到它们。在聚集中还有一个重要的结构是聚集索引结点表（Aggregate Inode Table）以及用于其映射的聚集索引结点分配映射表（Aggregate Inode Allocation Map）。AIT表中的inode 0 保留，inode 1 描述聚集本身，inode 2 描述聚集块映射表（block map）， inode 3 描述安装时的内嵌日志，inode 4 描述在聚集格式化期间发现的坏块，保留inode 5 到 15 以备将来扩展。 从inode 16 开始，每个inode代表一个文件集。文件集中也有索引结点表以及用于其映射的索引结点分配映射表，文件集中的inode 描述文件集中的每一个文件。
JFS 使用基于盘区的寻址结构，连同主动的块分配策略，产生紧凑、高效、可伸缩的结构，以将文件中的逻辑偏移量映射成磁盘上的物理地址。盘区是象一个单元那样分配给文件的相连块序列，可用一个由 <逻辑偏移量，长度，物理地址> 组成的三元组来描述。寻址结构是一棵 B+ 树，该树由盘区描述符（上面提到的三元组）填充，根在 inode 中，键为文件中的逻辑偏移量。
JFS 按需为磁盘 inode 动态地分配空间，同时释放不再需要的空间。这一支持避开了在文件系统创建期间，为磁盘 inode 保留固定数量空间的传统方法，因此用户不再需要估计文件系统包含的文件和目录最大数目。另外，这一支持使磁盘 inode 与固定磁盘位置分离。
JFS 提供两种不同的目录组织。第一种组织用于小目录，并且在目录的 inode 内存储目录内容。这就不再需要不同的目录块 I/O，同时也不再需要分配不同的存储器。最多可有 8 个项可直接存储在 inode 中，这些项不包括自己(.)和父(..)目录项，这两个项存储在 inode 中不同的区域内。第二种组织用于较大的目录，用按名字键控的 B+ 树表示每个目录。与传统无序的目录组织比较，它提供更快的目录查找、插入和删除能力。
六、性能测试
1. 在小型系统，如：邮件系统或小规模的电子商务系统应用时，ReiserFS和Ext3 的性能是比较好的。但由于Ext3的目录项是线型的，而ReiserFS的目录项是树型的，故当目录下文件较多时，ReiserFS的性能更优。
2. 在对于上G的这种大文件做I/O时，各种文件系统间的性能差距很小，性能瓶颈往往在磁盘上。
3. 虽然XFS和JFS在设计结构上都比较好，但它们主要是针对大中型系统的，在小型系统中由于硬件的原因性能发挥不明显。
4. 全日志模式和预定、写回这两种模式相比，性能差距是比较大的；而预定和写回之间的性能差距不大。所以性能和安全兼顾时，文件系统的缺省安全模式，即预定模式是比较好的选择。