XFS (Dateisystem)

XFS ist ein vom Unternehmen Silicon Graphics (SGI) entwickeltes Journaling-Dateisystem für Unix-artige Betriebssysteme wie Linux. Das bis Ende 1994 ausschließlich für IRIX entwickelte 64-Bit-Dateisystem ist für seine hohe Geschwindigkeit bekannt. Seit dem 1. Mai 2001 ist das Dateisystem auch offiziell für Linux ab Version 2.4 quelloffen erhältlich. Seit Kernel-Version 2.6 ist es offizieller Bestandteil des Kernels. XFS bietet Zugriffskontrolllisten und ab der Version 1.0 unterstützt XFS auch Quotas sowohl für den einzelnen Benutzer als auch für Gruppen. Für den gleichzeitigen und konfliktfreien Zugriff auf XFS gibt es die proprietäre Lösung CXFS (Cluster XFS).

Geschichte von XFS

XFS ist eines der ältesten für Unix verfügbaren Journaling-Dateisysteme überhaupt. Es zeichnet sich durch eine gereifte, weitgehend fehlerfreie Codebasis aus. Ursprünglich begann die Entwicklung von XFS bei SGI; es wurde erstmals im Jahr 1994 auf IRIX vorgestellt, wo es ab IRIX Version 5.3 bzw. 6 das bis dahin genutzte Extent File System (EFS) ablöste. Im Jahr 2000 wurde XFS schließlich unter der GPL lizenziert und erschien 2001 erstmals auf Linux. Fast alle heutigen Linux-Distributionen beinhalten XFS-Unterstützung.

Allgemeine Werte und Eigenschaften

• maximale Dateigröße 8 Exbibyte
• maximale Dateisystemgröße 16 Exbibyte
• maximale Dateinamenlänge 255 Byte
• Journal ermöglicht konsistente Datenhaltung
• geeignet für große und kleine Dateien sowie für umfangreiche Verzeichnisse
• unterstützt Blockgrößen von 512 Byte bis 64 Kibibyte, jedoch maximal die Größe der Speicherseiten des Kernels
• Datensicherung und Größenänderung im laufenden Betrieb (ohne Aushängen des Dateisystems)
• GRIO = Guaranteed IO Bandwidth (Garantierte Schreib- und Leseraten), z. B. für Video Streaming Server
• Unterstützung für Hierarchische Speichersysteme (HSM)
• Unterstützung für Volume Manager
• unterstützt Zugriffskontrolllisten (ACL)
• unterstützt Disk Quotas
• für die Behandlung von Sparse-Dateien geeignet
• Deduplizierung mittels „Shared Extents“ und Copy-On-Write (CoW) (experimentell, seit Linux 4.9)^[2]

Verwendung

Das XFS-Dateisystem ist beispielsweise in NAS-Geräten und auch in Fernsehgeräten mit USB-Recording-Funktion anzutreffen. Von Windows und macOS wird XFS jedoch nicht nativ unterstützt.

Besonderheiten von XFS

Verzeichnisstruktur

Um schnell auf spezielle Dateien zugreifen zu können, werden bei XFS Verzeichnisinhalte in einem B⁺-Baum abgespeichert. Dies erhöht in geringem Umfang zwar die Latenzzeit bei der Ausgabe eines kompletten Verzeichnisinhaltes, verringert aber die Zugriffszeit auf einzelne Dateien bei Verzeichnissen mit vielen Dateieinträgen.

Maximale Dateigröße

XFS zeichnet sich durch eine vollständige 64-Bit-Konzeption aus. Die Datenstrukturen sind darauf ausgelegt, Dateien mit einer Größe von bis zu 8 Exbibyte (2⁶³) auf einem XFS-formatierten Datenträger anzulegen. Heutige Betriebssysteme nutzen diese Grenzen noch nicht aus. So unterstützt Linux 2.4 eine maximale Dateigröße von 16 Tebibyte (2⁴⁴ = 2¹² · 2³²) bei einer Speicherseitengröße von 4 Kibibyte (2¹²) und 64 Tebibyte (2⁴⁶ = 2¹⁴ · 2³²) bei einer Speicherseitengröße von 16 Kibibyte (2¹⁴).

Journal

Das von XFS geführte Journal wird seriell abgelegt (es erfolgt keine Ablage in komplexen Datenstrukturen wie Bäumen oder Heaps). Dabei kann das Journal sowohl in dafür reservierten Bereichen auf dem entsprechenden Datenträger abgelegt als auch auf externen Speichermedien geführt werden. XFS fügt Transaktionen auf dem Dateisystem jedoch asynchron (der Dateisystem-Treiber arbeitet blockierungsfrei) zum Journal hinzu. Dadurch können Operationen schneller durchgeführt werden als auf vergleichbaren Systemen, im Falle einer Störung (Stromausfall) können aber einige Eintragungen im Journal fehlen.

Eine an einen Fehlerfall anschließende Überprüfung des Dateisystems wird jedoch zumindest eine Konsistenz wiederherstellen und Datenbereiche, die nicht geschrieben werden konnten, durch Nullen auffüllen. Dadurch sind mögliche Fehler durch „Datenreste“ ausgeschlossen.

Spezielle Speicherbelegung

Belegungsgruppen

Eine weitere Besonderheit von XFS sind sogenannte Belegungsgruppen (englisch allocation group). Diese bilden eine eigene Einheit im XFS-System und verwalten eigenständig sowohl den freien Speicher als auch Inodes. Dadurch können mehrere Prozesse gleichzeitig auf ein Dateisystem zugreifen (sofern jeder Prozess auf eine andere Belegungsgruppe zugreift).

Größenbasierte Belegung

Informationen über freie Speicherbereiche werden in B⁺-Bäumen abgelegt, wodurch es möglich ist, passende Speicherbereiche zu finden und so eine Fragmentierung größtenteils zu vermeiden.

XFS unterstützt Blockgrößen von 512 Byte bis 64 Kibibyte. Dadurch lässt sich ein Dateisystem angepasst der erwarteten Nutzung anlegen. Sowohl kleine als auch große Dateien können gut verwaltet werden.

Verzögerte Belegung

Neben der größenbasierten Belegung bietet XFS auch noch eine weitere Verringerung möglicher Fragmentierung durch verzögerte Belegung. Dabei werden Dateien möglichst lange im Speicher gehalten, bevor sie auf den Datenträger geschrieben werden. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass der XFS-Treiber einen passenden Speicherbereich finden und so auf Fragmentierung verzichten kann. Allerdings ist dadurch die Gefahr eines Datenverlustes, beispielsweise durch Stromausfälle, größer.

Nachteile von XFS

Das Design von XFS hat im Vergleich zu einigen anderen Dateisystemen auch Nachteile: In aktuellen Implementierungen ist es nicht möglich, ein XFS-Dateisystem zu verkleinern.^[3] Gelöschte Dateien sind nicht wiederherstellbar^[4].

Wegen des verzögerten Schreibens von Daten sind Datenverluste bei aktuell geöffneten Dateien bei einem Systemabsturz (z. B. Stromausfall) möglicherweise größer als bei anderen Dateisystemen (siehe Abschnitt: Verzögerte Belegung).

Das Journal ist auf hohe Leistung optimiert und daher architekturabhängig: Bei einem Wechsel der Prozessor-Architektur (z. B. von IA-32 auf x64) muss vor dem Einhängen des Dateisystems das Journal mit xfs_repair geleert werden.

Siehe auch

• Liste von Dateisystemen

Weblinks

• Harald Milz: Crashfest im Linux-Magazin, Juli 2001
• XFS der Firma SGI (Archiv-Link vom 10. Juli 2017) (englisch)
• bis Jahr 2016 dienende Wiki des Projektes
• Benchmark von XFS im Vergleich mit anderen modernen Journaling-Dateisystemen, 21. April 2006 (englisch)
• aktuelle Wiki des Projektes
• Vergleich und Benchmark von ext3, ext4, XFS, JFS usw. bei ProLinux, 19. Januar 2009

Einzelnachweise

1. ↑ ntu.edu.tw: XFS Algorithms & Data Structures, 3rd Edition, Auflösung (nsec) des Zeitstempels siehe Formatdefinition: »struct xfs_timestamp«, S. 107, abgerufen am 25. März 2021.
2. ↑ Thorsten Leemhuis: Die Neuerungen von Linux 4.9. In: Heise online. 17. Oktober 2016 (Update). Abgerufen am 6. Februar 2017.
3. ↑ Shrinking Support - xfs.org. Abgerufen am 17. Juli 2022. 
4. ↑ XFS FAQ - xfs.org. Abgerufen am 17. Juli 2022.