XFS

Silicon Graphics comenzó el desarrollo de XFS ^{[ 8 ]} ("X" estaba destinado a ser completado más adelante, pero nunca se hizo) en 1993 para su sistema operativo IRIX basado en UNIX System V. El sistema de archivos fue lanzado bajo la Licencia Pública General GNU (GPL) en mayo de 1999. ^{[ 9 ]}

Un equipo liderado por Steve Lord en SGI adaptó XFS a Linux, ^{[ 10 ]} y el primer soporte por parte de una distribución de Linux llegó en 2001. Este soporte se fue extendiendo gradualmente a casi todas las distribuciones de Linux. ^{[ 11 ]}

El soporte inicial para XFS en el kernel de Linux provino de parches de SGI. Se integró al kernel principal de Linux para la serie 2.6, y por separado en febrero de 2004 se integró a la serie 2.4 en la versión 2.4.25, ^{[ 12 ]} haciendo que XFS estuviera disponible casi universalmente en los sistemas Linux. ^{[ 13 ]} Gentoo Linux se convirtió en la primera distribución de Linux en introducir una opción para XFS como sistema de archivos predeterminado a mediados de 2002. ^{[ 14 ]}

FreeBSD añadió soporte de solo lectura para XFS en diciembre de 2005, y en junio de 2006 introdujo soporte experimental de escritura. Sin embargo, esto solo se concibió como una ayuda para la migración desde Linux, no como un sistema de archivos "principal". FreeBSD 10 eliminó el soporte para XFS. ^{[ 15 ]}

En 2009, la versión 5.4 de la distribución de Linux de 64 bits Red Hat Enterprise Linux (RHEL) contenía el soporte de kernel necesario para la creación y el uso de sistemas de archivos XFS, pero carecía de las herramientas de línea de comandos correspondientes. Las herramientas disponibles en CentOS podían funcionar para ese propósito, y Red Hat también las proporcionó a los clientes de RHEL que las solicitaran. ^{[ 16 ]} RHEL  6.0, lanzado en 2010, incluye soporte para XFS por un costo como parte del "complemento de sistema de archivos escalable" de Red Hat. ^{[ 17 ]} Oracle Linux 6, lanzado en 2011, también incluye una opción para usar XFS. ^{[ 18 ]}

RHEL  7.0, lanzado en junio de 2014, utiliza XFS como su sistema de archivos predeterminado, ^{[ 19 ]} incluyendo soporte para usar XFS para la /bootpartición, lo cual anteriormente no era práctico debido a errores en el cargador de arranque GRUB . ^{[ 20 ]}

El kernel de Linux 4.8, lanzado en agosto de 2016, incorporó una nueva función: el mapeo inverso. Esta función sienta las bases para un amplio conjunto de características planificadas: instantáneas , datos de copia en escritura (COW), deduplicación de datos , copias de enlaces de referencia, limpieza de datos y metadatos en línea , informes de alta precisión sobre pérdida de datos o sectores defectuosos, y una reconstrucción significativamente mejorada de sistemas de archivos dañados o corruptos. Este trabajo requirió modificaciones en el formato en disco de XFS. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El kernel de Linux 5.10, lanzado en diciembre de 2020, incluyó el nuevo formato de disco XFS v5. Esto supuso un cambio drástico, ya que el formato obsoleto XFS v4 no se puede convertir a XFS v5. Los datos en particiones formateadas con XFS v4 deben respaldarse en otra partición o medio para poder restaurarlos después de formatear la partición antigua con XFS v5, lo que borra por completo todos los datos. La compatibilidad con XFS v4 se eliminará del kernel de Linux en septiembre de 2030. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

XFS v5 introdujo "bigtime", para almacenar marcas de tiempo de inodos como un contador de nanosegundos de 64 bits en lugar del tradicional contador de segundos de 32 bits. Esto pospone el problema anterior del año 2038 hasta el año 2486. ^{[ 4 ]} También introdujo sumas de verificación de metadatos.

El Gentoo Handbook, el manual de instalación oficial de Gentoo Linux , recomienda XFS como el "sistema de archivos multiplataforma de propósito general" desde el 28 de junio de 2023, sucediendo a Ext4 . ^{[ 25 ]}

XFS es un sistema de archivos de 64 bits ^{[ 26 ]} y admite un tamaño máximo de sistema de archivos de 8 exbibytes menos un byte ( ^2⁶³  − 1 bytes), pero las limitaciones impuestas por el sistema operativo anfitrión pueden reducir este límite. Los sistemas Linux de 32 bits limitan el tamaño tanto del archivo como del sistema de archivos a 16 tebibytes .

En la informática moderna, el registro de transacciones garantiza la coherencia de los datos en el sistema de archivos, incluso ante cortes de energía o fallos del sistema. XFS proporciona este registro para los metadatos del sistema de archivos, donde las actualizaciones se escriben primero en un registro serial antes de actualizar los bloques de disco. El registro es un búfer circular de bloques de disco que no se lee durante el funcionamiento normal del sistema de archivos.

El registro XFS se puede almacenar dentro de la sección de datos del sistema de archivos (como un registro interno) o en un dispositivo separado para minimizar la contención del disco.

En XFS, el registro contiene principalmente entradas que describen las porciones de los bloques de disco modificadas por las operaciones del sistema de archivos. Las actualizaciones del registro se realizan de forma asíncrona para evitar una disminución en la velocidad de rendimiento.

En caso de fallo del sistema, las operaciones del sistema de archivos realizadas inmediatamente antes del fallo pueden volver a aplicarse y completarse según lo registrado en el registro, lo que permite que los datos almacenados en sistemas de archivos XFS se mantengan consistentes. La recuperación se realiza automáticamente la primera vez que se monta el sistema de archivos tras el fallo. La velocidad de recuperación es independiente del tamaño del sistema de archivos, sino que depende de la cantidad de operaciones del sistema de archivos que deban volver a aplicarse.

Los sistemas de archivos XFS se dividen internamente en grupos de asignación , que son regiones lineales de igual tamaño dentro del sistema de archivos. Los archivos y directorios pueden abarcar varios grupos de asignación. Cada grupo de asignación gestiona sus propios inodos y espacio libre de forma independiente, lo que proporciona escalabilidad y paralelismo, permitiendo que múltiples hilos y procesos realicen operaciones de E/S en el mismo sistema de archivos simultáneamente.

Esta arquitectura ayuda a optimizar el rendimiento de E/S paralelas en sistemas con múltiples procesadores y/o núcleos, ya que las actualizaciones de metadatos también se pueden paralelizar. El particionamiento interno que proporcionan los grupos de asignación puede ser especialmente beneficioso cuando el sistema de archivos abarca varios dispositivos físicos, lo que permite un uso óptimo del rendimiento de los componentes de almacenamiento subyacentes.

Si se va a crear un sistema de archivos XFS en una matriz RAID con distribución de datos, se puede especificar una unidad de distribución al crear el sistema de archivos. Esto maximiza el rendimiento al garantizar que las asignaciones de datos, las asignaciones de inodos y el registro interno (el journal) estén alineados con la unidad de distribución.

Los bloques utilizados en los archivos almacenados en sistemas de archivos XFS se gestionan con extensiones de longitud variable , donde una extensión describe uno o más bloques contiguos. Esto puede reducir considerablemente la lista de bloques, en comparación con los sistemas de archivos que listan individualmente todos los bloques utilizados por un archivo.

Los sistemas de archivos orientados a bloques gestionan la asignación de espacio mediante uno o más mapas de bits orientados a bloques; en XFS, estas estructuras se reemplazan por una estructura orientada a extensiones que consta de un par de árboles B+ para cada grupo de asignación del sistema de archivos. Uno de los árboles B+ se indexa según la longitud de las extensiones libres, mientras que el otro se indexa según el bloque inicial de dichas extensiones. Este esquema de indexación dual permite una asignación altamente eficiente de las extensiones libres para las operaciones del sistema de archivos.

El tamaño de bloque del sistema de archivos representa la unidad mínima de asignación. XFS permite crear sistemas de archivos con tamaños de bloque que oscilan entre 512  bytes y 64  KB, lo que permite optimizar el sistema de archivos según el grado de uso previsto. Cuando se prevén muchos archivos pequeños, un tamaño de bloque pequeño suele maximizar la capacidad, pero para un sistema que maneja principalmente archivos grandes, un tamaño de bloque mayor puede ofrecer una ventaja en cuanto a rendimiento.

XFS utiliza técnicas de evaluación diferida para la asignación de archivos. Cuando un archivo se escribe en la caché de búfer, en lugar de asignar extensiones para los datos, XFS simplemente reserva el número adecuado de bloques del sistema de archivos para los datos almacenados en memoria. La asignación real de bloques solo se produce cuando los datos se escriben finalmente en el disco. Esto aumenta la probabilidad de que el archivo se escriba en un grupo contiguo de bloques, lo que reduce los problemas de fragmentación y mejora el rendimiento.

XFS proporciona un espacio de direcciones disperso de 64 bits para cada archivo, lo que permite tanto archivos de gran tamaño como la existencia de "huecos" dentro de los archivos en los que no se asigna espacio en disco. Dado que el sistema de archivos utiliza un mapa de extensión para cada archivo, el tamaño del mapa de asignación de archivos se mantiene reducido. Cuando el tamaño del mapa de asignación es demasiado grande para almacenarse dentro del inodo, el mapa se traslada a un árbol B+, lo que permite un acceso rápido a los datos en cualquier punto del espacio de direcciones de 64 bits proporcionado para el archivo.

XFS proporciona múltiples flujos de datos para los archivos; esto es posible gracias a la implementación de atributos extendidos . Estos permiten almacenar varios pares nombre/valor asociados a un archivo. Los nombres son cadenas de caracteres imprimibles terminadas en nulo, de hasta 256  bytes de longitud, mientras que sus valores asociados pueden contener hasta 64 KB de datos binarios. 

Se subdividen además en dos espacios de nombres: rooty user. Los atributos extendidos almacenados en el espacio de nombres raíz solo pueden ser modificados por el superusuario, mientras que los atributos en el espacio de nombres de usuario pueden ser modificados por cualquier usuario con permiso para escribir en el archivo.

Los atributos extendidos se pueden adjuntar a cualquier tipo de inodo XFS, incluidos enlaces simbólicos, nodos de dispositivo, directorios, etc. La attrutilidad permite manipular los atributos extendidos desde la línea de comandos, y las xfsdumputilidades xfsrestorereconocen estos atributos y realizan copias de seguridad y restauran su contenido. Muchos otros sistemas de copia de seguridad no admiten el trabajo con atributos extendidos.

Para aplicaciones que requieren un alto rendimiento en disco, XFS proporciona una implementación de E/S directa que permite aplicar operaciones de E/S sin caché directamente al espacio de usuario. Los datos se transfieren entre el búfer de la aplicación y el disco mediante DMA , lo que permite acceder a todo el ancho de banda de E/S de los dispositivos de disco subyacentes.

XFS aún no ^{[ 27 ]} ofrece soporte directo para instantáneas, ya que actualmente espera que el proceso de instantánea sea implementado por el administrador de volúmenes. Para crear una instantánea de un sistema de archivos XFS, es necesario detener temporalmente las xfs_freezeoperaciones de entrada/salida (E/S) del sistema de archivos mediante la utilidad correspondiente, permitir que el administrador de volúmenes realice la instantánea y, posteriormente, reanudar las operaciones de E/S para continuar con el funcionamiento normal. La instantánea se puede montar en modo de solo lectura para fines de copia de seguridad.

Las versiones de XFS para IRIX incorporaban un gestor de volúmenes integrado llamado XLV. Este gestor de volúmenes no se ha adaptado a Linux, y en los sistemas Linux XFS funciona con LVM estándar .

En los núcleos de Linux recientes, la xfs_freezefuncionalidad se implementa en la capa VFS y se ejecuta automáticamente cuando se invoca la función de instantáneas del Administrador de volúmenes. Esto fue una ventaja importante, ya que el sistema de archivos ext3 no se podía suspender ^{[ 28 ]} y el administrador de volúmenes no podía crear una instantánea "caliente" consistente para respaldar una base de datos con mucha actividad. ^{[ 29 ]} Afortunadamente, esto ya no es así. Desde Linux 2.6.29, los sistemas de archivos ext3, ext4 , GFS2 y JFS también cuentan con la función de congelación. ^{[ 30 ]}

Aunque la naturaleza basada en extensiones de XFS y la estrategia de asignación diferida que utiliza mejoran significativamente la resistencia del sistema de archivos a los problemas de fragmentación, XFS proporciona una utilidad de desfragmentaciónxfs_fsr del sistema de archivos ( , abreviatura de XFS filesystem reorganizer) que puede desfragmentar los archivos en un sistema de archivos XFS montado y activo. ^{[ 31 ]}

XFS proporciona la xfs_growfsutilidad para expandir en línea los sistemas de archivos XFS. Estos sistemas pueden ampliarse siempre que haya espacio sin asignar en el dispositivo que los contiene. Esta función se suele utilizar junto con la administración de volúmenes, ya que, de lo contrario, la partición que contiene el sistema de archivos deberá ampliarse por separado.

XFS admite un dispositivo independiente llamado dispositivo en tiempo real, que utiliza un asignador de mapas de bits determinista simple en lugar del asignador basado en árbol B+ más escalable pero más complejo que se usa normalmente en XFS ^{[ 32 ]} . El dispositivo en tiempo real se agregó originalmente para admitir E/S de tasa garantizada, pero adquirió otros usos posteriormente. Actualmente, el uso más común es colocar metadatos en una unidad SSD mientras se colocan los datos en un disco duro.

En Linux 4.9, XFS añadió soporte para compartir bloques idénticos entre archivos, lo que proporciona una forma rápida de clonar archivos y permite que las herramientas del espacio de usuario implementen la deduplicación de datos fuera de línea . El soporte para reflink se implementa utilizando un nuevo árbol B+ por grupo de asignación que rastrea el número de referencias para cada bloque físico, y cambios en la ruta de escritura para realizar la copia en escritura al sobrescribir bloques con un recuento de bloques elevado. ^{[ 33 ]}

A partir de Linux 6.10, XFS admite la comprobación y reparación en línea del sistema de archivos para todos los metadatos ^{[ 34 ]} . Para admitir reconstrucciones eficientes de las estructuras de datos de seguimiento de espacio libre, se agregó un árbol B+ de asignación inversa (rmap) ^{[ 33 ]} , y para proporcionar metadatos redundantes para la jerarquía de archivos, también se agregaron punteros de padre que se almacenan como atributos extendidos ^{[ 35 ]} . A partir de Linux 7.0, XFS admite la autorreparación autónoma basada en estas características, con el programa xfs_healer iniciando automáticamente la acción de reparación según sea necesario ^{[ 36 ]} .

Linux 6.15 agregó un nuevo asignador de zonas para admitir Zoned Storage, incluyendo discos duros que usan grabación magnética superpuesta (SMR) y SSD NVM Express que usan el conjunto de comandos zoned ^{[ 37 ]} . El asignador de zonas funciona en el dispositivo en tiempo real y solo almacena datos de archivos. Los metadatos usan el asignador XFS existente en el dispositivo principal. Para admitir discos duros SMR sin zonas convencionales, Zoned XFS agrega soporte para un dispositivo RT interno, donde los dispositivos principal y RT se encuentran en el mismo dispositivo de bloques de Linux. El asignador de zonas siempre escribe fuera de lugar y siempre escribe secuencialmente ^{[ 38 ]} en un número limitado de zonas abiertas. y se realiza la recolección de basura para evacuar bloques válidos en zonas parcialmente usadas para crear zonas libres que se usan para escrituras posteriores. Zoned XFS puede usar múltiples zonas abiertas y realiza una ubicación inteligente de datos, lo que lleva a un mejor rendimiento que otros sistemas de archivos en almacenamiento de zonas, e incluso supera a los sistemas de archivos convencionales en SSD regulares para algunos casos de uso ^{[ 39 ] [ 40 ]} .

• Las operaciones de metadatos en XFS eran más lentas en comparación con los sistemas de archivos con registro por diario implementados posteriormente y diseñados para trabajar con registros mucho más grandes, lo que resultaba, por ejemplo, en un rendimiento más lento con operaciones como la eliminación de un gran número de archivos. Sin embargo, se dice que una nueva característica de XFS implementada por Dave Chinner y llamada registro diferido , disponible desde la versión 2.6.39 del kernel principal de Linux, resuelve esto; ^{[ 48 ]} las pruebas de rendimiento realizadas por el desarrollador en 2010 revelaron niveles de rendimiento similares a ext4 con un número bajo de subprocesos y superiores con un número alto de subprocesos. ^{[ 49 ]}