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這篇來詳細介紹一下 Android 系統中的 ext4 文件系統。

雖然 Android 設備種類繁多，但 ext4 長期以來一直是其系統分區和數據分區的主流和默認文件系統，直到近年來 F2FS 在部分用户分區上開始替代它。

一、什麼是 ext4？

ext4，全稱為 第四代擴展文件系統，是 Linux 操作系統上 ext 文件系統家族的第四個版本。它是 ext3 的直接繼承者，旨在提高性能、穩定性和存儲容量限制。

  • 開發者：由 Theodore Ts‘o（Linux 文件系統領域的核心開發者之一）領導開發。
  • 目標：在保持與 ext3 高度向前/向後兼容的同時，突破其技術和性能瓶頸。
  • 狀態：自 Linux 內核 2.6.28 起被穩定支持，併成為絕大多數 Linux 發行版的默認文件系統。Android 基於 Linux 內核，自然繼承了這一成熟的技術。

二、ext4 的主要技術特性

要理解為什麼 Android 選擇 ext4，需要了解其核心特性：

  1. 大文件系統支持：

    • 支持最大 1 EB 的文件系統（1 EB = 1024 PB， 1 PB = 1024 TB）。
    • 支持最大 16 TB 的單個文件。
    • 這對於手機存儲來説幾乎是無限的，完全滿足需求。

  2. Extents 分配機制（關鍵特性）

    • 這是 ext4 相對於 ext3 最重要的性能改進。
    • ext3 使用間接塊映射：對於大文件，需要一層層地查找數據塊的位置，效率低下，容易產生碎片。
    • ext4 使用 Extents：一個 Extent 是一系列連續的物理塊的集合。它用一個結構（起始塊地址 + 長度）來描述一大片連續的數據，大大減少了元數據量，提高了大文件的讀寫效率，減少了碎片。

  3. 日誌功能（Journaling）

    • 目的：確保文件系統在發生意外（如突然斷電）時的一致性。
    • 工作原理：在真正將數據寫入磁盤之前，先將即將執行的操作（元數據，有時包括數據本身）記錄到一個專門的“日誌”區域。如果操作中途斷電，系統重啓後可以根據日誌快速恢復到一致狀態，而不需要漫長的 fsck 磁盤檢查。
    • 模式：
      • journal：記錄所有元數據和文件數據，最安全，但性能開銷最大。
      • ordered（Android 默認）：只保證元數據日誌，但在寫元數據之前，會先寫入相關的文件數據。這是安全性和性能的良好平衡。
      • writeback：只記錄元數據，不保證文件數據的寫入順序。性能最高，但安全性最低。

  4. 預分配與延遲分配

    • 延遲分配：當應用程序寫入文件時，文件系統會延遲決定將數據塊分配到磁盤的哪個物理位置，直到數據被刷入磁盤之前。這允許文件系統智能地選擇更連續的塊，從而優化佈局、減少碎片。

  5. 多塊分配

    • 與延遲分配配合，一次調用可以分配多個數據塊，而不是像 ext3 那樣一次一塊，進一步減少了碎片和元數據開銷。

  6. 更快的文件系統檢查（e2fsck）

    • 由於引入了“組描述符校驗和”等特性，e2fsck 檢查 ext4 文件系統的速度比檢查 ext3 快得多。

  7. 持久預分配

    • 應用程序（如視頻錄製軟件）可以預先為文件分配連續的磁盤空間，避免在錄製過程中因空間不足而中斷，也能保證寫入性能。

三、ext4 在 Android 中的應用

在典型的 Android 設備中，存儲空間被劃分為多個分區，ext4 常用於以下關鍵分區：

分區名稱 掛載點 內容 使用 ext4 的原因
/system /system 操作系統本身、預裝應用、底層庫 只讀。要求穩定、可靠。ext4 的成熟性和可靠性是首選。
/vendor /vendor 硬件抽象層、芯片廠商提供的驅動 同上，通常是隻讀的。
/data /data 用户數據、已安裝的應用、設置 讀寫頻繁。需要高性能和強大的日誌功能來應對頻繁的應用安裝、卸載和數據寫入，防止數據損壞。
/cache /cache 系統更新、臨時文件 讀寫，但對持久性要求不高。

一個重要的變化：F2FS 的引入

儘管 ext4 非常優秀，但它最初是為機械硬盤設計的。對於使用 eMMC 和 UFS 閃存作為存儲的移動設備，其特性與機械硬盤不同。因此，三星和華為等公司與社區共同開發了 F2FS。

  • F2FS 是一種專為基於閃存的存儲設備設計的文件系統。
  • 它在隨機寫入性能上通常優於 ext4，這有助於改善應用安裝速度、文件解壓等場景的體驗。
  • 因此，在現代 Android 設備中，/data 分區 和 /cache 分區 越來越多地使用 F2FS，而 /system 和 /vendor 通常仍保持為 ext4，因為它們是隻讀的，不需要 F2FS 的寫入優勢。

四、ext4 的優缺點（在 Android 語境下）

優點：

  1. 極其成熟穩定：經過長期、廣泛的測試，數據可靠性高，是“不會出錯”的安全選擇。
  2. 優秀的順序讀寫性能：對於大文件的連續讀寫速度很快。
  3. 強大的日誌保障：ordered 模式在性能和數據安全之間取得了很好的平衡，非常適合作為系統分區。
  4. 良好的向前/向後兼容：與 ext3 兼容性好，便於系統升級和工具鏈統一。

缺點：

  1. 隨機寫入性能不如 F2FS：這是其最大的短板。ext4 的日誌機制和塊分配策略在應對大量小文件隨機寫入時，會產生更多的開銷和碎片，導致性能下降。這在應用頻繁安裝卸載時比較明顯。
  2. 不是為閃存設計：沒有像 F2FS 那樣考慮閃存的特性（如寫放大、垃圾回收），長期使用後性能衰減可能比 F2FS 更明顯。
  3. 碎片化：雖然 Extents 機制大大改善了碎片問題，但長期使用後仍然會產生碎片，影響性能。

五、總結

ext4 是 Android 生態系統的基石文件系統。它憑藉其卓越的穩定性、可靠性和在順序讀寫方面的優秀性能，長期佔據着 Android 系統分區的統治地位。

雖然專為閃存設計的 F2FS 正在讀寫最頻繁的用户數據分區（如 /data）上逐漸取代 ext4，以提供更好的日常使用流暢度，但 ext4 在只讀的系統分區中依然不可動搖。

可以這樣概括：

  • 追求極致穩定和兼容性：ext4 是王者。
  • 追求更優的寫入性能和閃存壽命：F2FS 是趨勢。

理解 ext4 有助於我們洞悉 Android 系統底層存儲的工作原理，以及為什麼在系統更新、刷機等操作中，對分區進行“擦除和格式化”是一個如此關鍵的步驟。

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