.XFS の

.XFS の
開発者	シリコングラフィックス; レッドハット;
フルネーム	.XFS の
紹介された	1994年; 30年前のIRIX 5.3
パーティションID	MBR : 0x83: Linux ファイルシステム; GPT : 0FC63DAF-8483-4772-8E79-3D69D8477DE4: Linuxファイルシステム;
構造
ディレクトリの内容	B+ ツリー
ファイルの割り当て	B+ ツリー
制限
最大ボリュームサイズ	8 エクサバイト − 1 バイト
最大ファイルサイズ	8 エクサバイト − 1 バイト
最大ファイル数	2 64
ファイル名の最大長	255 バイト
ファイル名に使用できる; 文字	NUL と "/" を除くすべて
特徴
記録された日付	atime、mtime、ctime、バージョン5: crtime
日付範囲	1901年12月13日 – 2486年7月2日
日付解決	1ナノ秒
属性	はい
ファイルシステムの; 権限	はい
透過的な; 圧縮	いいえ
透過的な; 暗号化	いいえ（ブロックデバイスレベルで提供）
データ重複排除	実験的、Linuxのみ
他の
サポートされている; オペレーティングシステム	アイリックス; リナックス;

XFSは、1993年にSilicon Graphics, Inc (SGI)によって作成された高性能な64ビットジャーナリングファイルシステムです^{。[7] SGIの}IRIXオペレーティングシステムのバージョン5.3以降では、デフォルトのファイルシステムでした。XFSは2001年にLinuxカーネルに移植され、2014年6月現在、ほとんどのLinuxディストリビューションでサポートされており、Red Hat Enterprise Linuxではデフォルトのファイルシステムとして使用されています。

XFS は、割り当てグループ(XFS が使用される物理ボリュームの分割の一種で、 AGとも略される)に基づいた設計により、並列入出力(I/O) 操作の実行に優れています。このため、XFS では、複数の物理ストレージデバイスにまたがる場合、I/O スレッド、ファイルシステムの帯域幅、ファイルサイズ、およびファイルシステム自体のサイズの極めて高いスケーラビリティが実現します。XFS は、メタデータジャーナリングを採用し、書き込みバリアをサポートすることで、データの一貫性を保証します。スペース割り当ては、 B + ツリーに格納されたデータ構造を持つエクステントによって実行されるため、特に大きなファイルを処理する場合に、ファイルシステムの全体的なパフォーマンスが向上します。遅延割り当ては、ファイルシステムの断片化を防ぐのに役立ちます。オンラインデフラグもサポートされています。

歴史

第一世代 XFS

シリコングラフィックスは、 1993年にUNIX System VベースのIRIXオペレーティングシステム用にXFS ^[8] (「X」は後で埋められる予定だったが、結局埋められなかった)の開発を開始した。このファイルシステムは、1999年5月にGNU General Public License (GPL)の下でリリースされた。^[9]

第2世代XFS

SGIのスティーブ・ロード率いるチームがXFSをLinuxに移植し^[10]、Linuxディストリビューションによる最初のサポートは2001年に開始されました。このサポートは徐々にほぼすべてのLinuxディストリビューションで利用できるようになりました。^[要出典]

LinuxカーネルにおけるXFSの初期サポートは、 SGIからのパッチを通じて行われました。これは2.6シリーズのLinuxカーネルメインラインに統合され、2004年2月にバージョン2.4.25で2.4シリーズに別途統合され、 ^[11] Linuxシステムでほぼ普遍的にXFSが利用可能になりました。^[12] Gentoo Linuxは、2002年半ばにデフォルトのファイルシステムとしてXFSのオプションを導入した最初のLinuxディストリビューションとなりました。^[13]

FreeBSD は2005 年 12 月に XFS の読み取り専用サポートを追加し、2006 年 6 月には実験的な書き込みサポートを導入しました。ただし、これは Linux からの移行を支援するためのものであり、「メイン」ファイルシステムとして意図されたものではありません。FreeBSD 10 では XFS のサポートが削除されました。^[14]

2009 年、64 ビットRed Hat Enterprise Linux (RHEL) Linux ディストリビューションのバージョン 5.4 には、XFS ファイルシステムの作成と使用に必要なカーネルサポートが含まれていましたが、対応するコマンドラインツールがありませんでした。CentOS から入手できるツールはその目的に使用でき、Red Hat はリクエストに応じて RHEL の顧客にそれらを提供しました。^[15] 2010 年にリリースされた RHEL 6.0 には、Red Hat の「スケーラブルファイルシステムアドオン」の一部として、XFS サポートが有料で含まれています。^{[16 ] 2011 年にリリースされた} Oracle Linux 6 にも、XFS を使用するオプションが含まれています。^[17]

2014年6月にリリースされたRHEL 7.0では、デフォルトのファイルシステムとしてXFSが採用されており^[18]、パーティションにXFSを使用するサポートも含まれていますが、これは以前はGRUB/bootブートローダのバグのために実用的ではありませんでした^[19]。

2016年8月のLinuxカーネル4.8では、「リバースマッピング」という新機能が追加されました。これは、スナップショット、コピーオンライト（COW）データ、データ重複排除、reflinkコピー、オンラインデータおよびメタデータスクラビング、データ損失または不良セクターの高精度なレポート、破損または破損したファイルシステムの再構築の大幅な改善など、計画されている多数の機能の基礎となります。この作業には、XFSのオンディスクフォーマットの変更が必要でした。^[20]^[21]

第3世代XFS

2020年12月にリリースされたLinuxカーネル5.10には、新しいオンディスクフォーマットXFS v5が含まれていました。これは、廃止されたXFS v4をXFS v5に変換できないため、大きな変化でした。XFS v4でフォーマットされたパーティションのデータは、古いパーティションをXFS v5でフォーマットした後に復元するために、別のパーティションまたはメディアにバックアップする必要があります。これにより、パーティション上のすべてのデータが完全に消去されます。XFS v4のサポートは、2030年9月にLinuxカーネルから削除されます。^[22]

XFS v5 では、従来の 32 ビット秒カウンターの代わりに 64 ビットナノ秒カウンターとして inode タイムスタンプを保存する「bigtime」が導入されました。これにより、以前の2038 年問題が2486 年まで延期されました^。[5]また、メタデータチェックサムも導入されました。

Gentoo Linuxの公式インストールマニュアルであるGentooハンドブックは、2023年6月28日以降、 Ext4の後継としてXFSを「汎用・全プラットフォームファイルシステム」として推奨しています。^[23]

特徴

容量

XFSは64ビットファイルシステム^{[24]であり、8}エクスビバイトマイナス1バイト（²⁶³⁻¹バイト）の最大ファイルシステムサイズをサポートしていますが、ホストオペレーティングシステムによって課せられる制限により、この制限が減少する可能性があります。32ビットLinuxシステムでは、ファイルとファイルシステムの両方のサイズが16テビバイトに制限されています。

ジャーナリング

現代のコンピューティングでは、ジャーナリングは、停電やシステムクラッシュが発生してもファイルシステム内のデータの一貫性を保証する機能です。XFS はファイルシステムメタデータのジャーナリングを提供します。ファイルシステムの更新は、実際のディスクブロックが更新される前に、まずシリアルジャーナルに書き込まれます。ジャーナルは、通常のファイルシステム操作では読み取られないディスクブロックの循環バッファです。

XFS ジャーナルは、ファイルシステムのデータセクション内に (内部ログとして) 保存することも、ディスクの競合を最小限に抑えるために別のデバイスに保存することもできます。

XFS では、ジャーナルには主に、ファイルシステム操作によって変更されたディスクブロックの部分を記述するエントリが含まれます。ジャーナルの更新は、パフォーマンス速度の低下を避けるために非同期で実行されます。

システムクラッシュが発生した場合、クラッシュ直前に実行されたファイルシステム操作は、ジャーナルに記録されているとおりに再適用され、完了します。これにより、XFS ファイルシステムに保存されているデータの一貫性が維持されます。クラッシュ後にファイルシステムが初めてマウントされたときに、回復が自動的に実行されます。回復の速度は、ファイルシステムのサイズとは関係なく、再適用されるファイルシステム操作の量によって決まります。

割り当てグループ

XFS ファイルシステムは、内部的に割り当てグループに分割されます。割り当てグループは、ファイルシステム内の均等なサイズの線形領域です。ファイルとディレクトリは割り当てグループにまたがることができます。各割り当てグループは独自のinodeと空き領域を個別に管理し、スケーラビリティと並列性を提供するため、複数のスレッドとプロセスが同じファイルシステムで同時に I/O 操作を実行できます。

このアーキテクチャは、メタデータの更新も並列化できるため、複数のプロセッサやコアを持つシステムでの並列 I/O パフォーマンスの最適化に役立ちます。割り当てグループによって提供される内部パーティション分割は、ファイルシステムが複数の物理デバイスにまたがる場合に特に役立ち、基盤となるストレージコンポーネントのスループットを最適に使用できます。

ストライプ割り当て

ストライプ化されたRAIDアレイ上に XFS ファイルシステムを作成する場合、ファイルシステムの作成時にストライプユニットを指定できます。これにより、データ割り当て、inode 割り当て、および内部ログ (ジャーナル) がストライプユニットに揃えられるため、スループットが最大化されます。

範囲ベースの割り当て

XFS ファイルシステムに保存されているファイルで使用されるブロックは、可変長のエクステントを使用して管理されます。1 つのエクステントは、1 つ以上の連続したブロックを表します。これにより、ファイルで使用されるすべてのブロックを個別にリストするファイルシステムと比較して、ブロックのリストを大幅に短縮できます。

ブロック指向のファイルシステムは、1 つ以上のブロック指向のビットマップを使用してスペース割り当てを管理します。XFS では、これらの構造は、各ファイルシステム割り当てグループのB+ ツリーのペアで構成されるエクステント指向の構造に置き換えられます。B+ ツリーの 1 つは空きエクステントの長さでインデックス付けされ、もう 1 つは空きエクステントの開始ブロックでインデックス付けされます。この二重のインデックス付けスキームにより、ファイルシステム操作の空きエクステントを非常に効率的に割り当てることができます。

可変ブロックサイズ

ファイルシステムのブロックサイズは、最小の割り当て単位を表します。XFS では、512 バイトから 64 KB までのブロックサイズでファイルシステムを作成できるため、予想される使用度合いに合わせてファイルシステムを調整できます。多数の小さなファイルが予想される場合、通常は小さなブロックサイズで容量を最大化できますが、主に大きなファイルを扱うシステムの場合は、ブロックサイズを大きくするとパフォーマンス効率が向上します。

遅延割り当て

XFS は、ファイル割り当てに遅延評価技術を使用します。ファイルがバッファキャッシュに書き込まれるとき、データのエクステントを割り当てるのではなく、XFS はメモリに保持されているデータに対して適切な数のファイルシステムブロックを予約するだけです。実際のブロック割り当ては、データが最終的にディスクにフラッシュされたときにのみ行われます。これにより、ファイルが連続したブロックグループに書き込まれる可能性が高くなり、断片化の問題が軽減され、パフォーマンスが向上します。

スパースファイル

XFS は、各ファイルに 64 ビットのスパースアドレス空間を提供します。これにより、非常に大きなファイルサイズと、ディスク領域が割り当てられていないファイル内の「ホール」の両方が可能になります。ファイルシステムは各ファイルにエクステントマップを使用するため、ファイル割り当てマップのサイズは小さく保たれます。割り当てマップのサイズが大きすぎて inode 内に保存できない場合は、マップは B+ ツリーに移動され、ファイルに提供されている 64 ビットアドレス空間内の任意の場所のデータに迅速にアクセスできるようになります。

拡張属性

XFS は、ファイルに対して複数のデータストリームを提供します。これは、拡張属性の実装によって可能になります。これにより、ファイルに添付された複数の名前/値のペアを保存できます。名前は、最大 256 バイトの長さの NULL で終了する印刷可能な文字列であり、関連付けられた値には最大 64 KBのバイナリデータを含めることができます。

rootこれらはさらにとの2 つの名前空間に分割されますuser。ルート名前空間に格納された拡張属性はスーパーユーザーのみが変更できますが、ユーザー名前空間の属性はファイルへの書き込み権限を持つすべてのユーザーが変更できます。

拡張属性は、シンボリックリンク、デバイスノード、ディレクトリなど、あらゆる種類の XFS inode に添付できます。attrユーティリティを使用すると、コマンドラインから拡張属性を操作できます。およびxfsdumpユーティリティxfsrestoreは拡張属性を認識し、その内容をバックアップおよび復元します。他の多くのバックアップシステムでは、拡張属性の操作はサポートされていません。

ダイレクトI/O

ディスクへの高スループットを必要とするアプリケーション向けに、XFS は、キャッシュされていない I/O 操作をユーザー空間に直接適用できる直接 I/O 実装を提供します。データは、アプリケーションのバッファとディスクの間でDMA を使用して転送され、基盤となるディスクデバイスの完全な I/O 帯域幅にアクセスできます。

スナップショット

XFSはまだスナップショットを直接サポートしていません^[25]。これは、スナップショットプロセスがボリュームマネージャによって実装されることを想定しているためです。XFSファイルシステムのスナップショットを取得するにはxfs_freeze、ユーティリティを使用してファイルシステムへのI/Oを一時的に停止し、ボリュームマネージャに実際のスナップショットを実行させ、その後I/Oを再開して通常の操作を続行します。スナップショットは、バックアップの目的で読み取り専用でマウントできます。

IRIX の XFS リリースには、XLV と呼ばれる統合ボリュームマネージャーが組み込まれました。このボリュームマネージャーは Linux に移植されておらず、代わりに XFS は Linux システムの標準LVMで動作します。

最近の Linux カーネルでは、このxfs_freeze機能は VFS レイヤーに実装されており、ボリュームマネージャーのスナップショット機能が呼び出されると自動的に実行されます。これはかつては貴重な利点でした。ext3ファイルシステムを一時停止することができず^[26]、ボリュームマネージャーは、非常にビジーなデータベースをバックアップするための一貫した「ホット」スナップショットを作成できなかったためです。^[27]幸いなことに、これはもう当てはまりません。Linux 2.6.29 以降、ファイルシステム ext3、ext4、GFS2、JFSにもフリーズ機能があります。^[28]

オンラインデフラグ

XFSのエクステントベースの性質とそれが使用する遅延割り当て戦略は、ファイルシステムの断片化問題に対する耐性を大幅に改善しますが、XFSは、マウントされたアクティブなXFSファイルシステム上のファイルをデフラグできるファイルシステムデフラグユーティリティ（xfs_fsr、XFSファイルシステムリオーガナイザーの略）を提供します。^[29]

オンライン成長

XFS は、xfs_growfsXFS ファイルシステムのオンライン拡張を実行するユーティリティを提供します。XFS ファイルシステムは、ファイルシステムを保持するデバイスに未割り当て領域が残っている限り拡張できます。この機能は通常、ボリューム管理と組み合わせて使用されます。そうでない場合、ファイルシステムを保持するパーティションを個別に拡張する必要があります。

IRIX のみの機能

DMAPI

XFS はIRIX の階層型ストレージ管理をサポートするためにDMAPIインターフェースを実装しました。2010 年 10 月の時点で、XFS の Linux 実装は DMAPI 実装に必要なディスク上のメタデータをサポートしていましたが、カーネルサポートは使用できないと報告されています。しばらくの間、SGI は DMAPI フックを含むカーネルツリーをホストしていましたが、このサポートは適切に維持されていません。ただし、カーネル開発者はこのサポートを最新のものにする意向を表明しています。^[30]

保証レートI/O

XFS 保証レート I/O システムは、アプリケーションがファイルシステムへの帯域幅を予約できるようにする API を提供します。XFS は、基盤となるストレージデバイスから利用可能なパフォーマンスを動的に計算し、指定された時間、要求されたパフォーマンスを満たすのに十分な帯域幅を予約します。これは、XFS ファイルシステムに固有の機能です。保証レートは「ハード」または「ソフト」にすることができ、信頼性とパフォーマンスのトレードオフを表します。ただし、XFS は、基盤となるストレージサブシステムがサポートしている場合のみ「ハード」保証を許可します。この機能は、主にビデオストリーミングなどのリアルタイムアプリケーションで使用されます。

保証レートI/OはIRIXでのみサポートされており、そのためには特別なハードウェアが必要でした。^[31]

デメリット

XFSファイルシステムは（2023年12月現在^{[アップデート]}）その場で縮小することはできませんが^[32]、いくつかの回避策が議論されています。^[33]

ジャーナリングを無効にすることはできません。ただし、XFSは代わりに別のブロックデバイス上の外部ジャーナルに書き込むことができます。^[34]

歴史的不利

XFSのメタデータ操作は、後に実装され、はるかに大きなログで動作するように設計されたジャーナリングファイルシステムと比較して遅く、たとえば、大量のファイルを削除する操作などのパフォーマンスが低下しました。ただし、Dave Chinnerによって実装され、 Linuxカーネルメインラインのバージョン2.6.39以降で利用可能な遅延ログと呼ばれる新しいXFS機能により、この問題が解決されたと言われています。^{[35]開発者が2010年に実施したパフォーマンスベンチマークでは、低スレッド数では}ext4と同等のパフォーマンスレベルが、高スレッド数では優れていることが明らかになりました。 ^[36]

参照

参考文献

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さらに読む

XFS ファイルシステムのスケーラビリティ (Usenix 1996 年次技術会議で発表された最初の XFS 論文)
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外部リンク

XFS Linux wiki、現在のコミュニティ wiki
XFS.org 2016-11-04 にWayback Machineでアーカイブ、古いコミュニティウィキ
crossmeta.org 2015-08-08にWayback Machineでアーカイブ、Windows上のXFSのコミュニティポート

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[34] 「外部XFSジャーナルについて」。ora cle.com 。 2022年11月16日閲覧。

[35] Chinner, Dave (2010 年 12 月 23 日)。「ジャーナルオーバーヘッドを削減することでメタデータのパフォーマンスを向上させる」。XFS.org wiki。2011年 10 月 6 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011 年11 月 6 日閲覧。

[36] Chinner, Dave (2010 年 5 月 24 日). 「Re: PATCH 0/12 xfs: delayed logged V6」. XFS メーリングリストメッセージ(メーリングリスト)。2011 年 12 月 5 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年11 月 6 日閲覧。

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