LWN:对EROFS的介绍!

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An introduction to EROFS

By Jake Edge
June 7, 2023
LSFMM+BPF
DeepL assisted translation
https://lwn.net/Articles/934047/

Gao Xiang 在 2023 年 Linux 存储、文件系统、内存管理和 BPF 峰会的文件系统会议上对扩展只读文件系统 （EROFS, Extended Read-Only File System）进行了介绍。EROFS 于 2019 年被添加到 Linux 5.4 中，并且被越来越不局限于其原始目标场景（作为 Android 和嵌入式设备的文件系统）。例如，如今基于 EROFS 的容器映像（container image）有了许多应用。

不幸的是，这次会议对我来说很难理解，因此下面的报告会显得比较零碎和不完整的。有一个会话的 YouTube 视频 (https://www.youtube.com/watch?v=bQ1GT2U4GnU)，但音频音量太小，尽管也许不久之后就会得到解决。会议中的幻灯片在这里 https://docs.google.com/presentation/d/16LwD-F0IKy8okkC8qB94v2YgDcWBBE26rmMn_s1Mqxc 。

EROFS 是一个基于 block 的只读文件系统，格式“非常简单”，Xiang 开始说。早期的只读文件系统有很多限制，例如不支持压缩，这是他们要开发 EROFS 的部分原因。EROFS 存储其数据时是按 block 对齐的（block-aligned），这非常适合 page cache 相关的优化，这种对齐方式还可以直接使用 direct I/O 和 DAX 文件系统来进行数据访问。

[Gao Xiang]

SquashFS 是另一个知名的只读文件系统，但它不会以 block-aligned 的方式存储其压缩数据，这会增加 I/O 开销。EROFS 会将数据压缩到文件系统中的固定 4KB block 中，而 SquashFS 中固定大小的 block 是按照未压缩的数据 size。此外还有一点与 EROFS 不同，SquashFS 不允许在其目录中进行随机访问;这意味着 SquashFS 需要对目录中的项目进行线性搜索（linear search）。

用文件系统替换 tar 或 cpio 存档，也是 EROFS 的一个潜在用例。confidential-computing 社区提出了一个内核 tarfs 文件系统的建议，这就允许 guest 虚拟机直接挂载 tar 文件来使用了。但 EROFS 将是一个更好的选择，他说。有一个概念验证性质的 patch set，允许使用 EROFS 直接 mount 人们下载的 tar 文件，这比将压缩包解压缩到 ext4 文件系统中再使用 overlayfs 将其 mount 到 guest 机中要好。

这种方法仍然存在问题，比如使用相同 tar 文件的 guest 之间不能进行 page cache 级别的共享。Aleksa Sarai 同意这存在问题，但认为只要不用 tar 存档文件来作为底层格式就可以更加容易地 fix 这个问题，以及一系列的其他问题。他还说，EROFS 方法比现在的方案要好，但他认为还是需要把容器映像中的 tar 格式替换掉。

目前有很多努力来优化 image 的 layout，而这些努力仅仅是因为需要使用 tar 格式。“在我看来，这根本不合理，” Sarai 说。社区需要停止花费如此多的精力来解决 tar 格式带来的限制。系统上的 guest 中可能有 500 个 Bash 实例，但它们不能以基于 tar 的格式共享相同的 inode，因此它们被视为不同的文件。但是 tar 格式还是继续需要得到支持，Xiang 说，所以需要一个兼容的解决方案。

他继续介绍了 EROFS 的功能，包括对文件数据进行 block based 的删除重复数据的能力。典型的用例是那些将 EROFS 与 Nydlus 一起使用的系统。EROFS 可以选择使用 LZ4/LZMA 来对文件级别进行压缩，但使用较小的压缩块大小，从而减少 SquashFS 发生的内存放大（memory amplification）问题。数据也可以就地解压缩以减少额外的复制。

EROFS 的最新使用场景有三种基本形式。第一个是 EROFS full image，它们以压缩形式使用，以牺牲某些性能为代价来节省空间，或者未压缩并在具有 DAX 或 FS cache 的 guest 之间共享。第二种是 metadata-only 的 EROFS 图像，其中的文件数据放在别的地方，例如 tar 存档或其他二进制格式。第三种是将 EROFS 与 overlayfs 配合使用，如之前讲到的 composefs 中所说的。

使用 EROFS 可能会提高机器学习数据集的性能，Gao 说。这些数据集通常在单个目录中有数百万个小文件。训练过程需要读取整个目录并从列表中随机选择文件。由于布局很紧凑，EROFS 在这些类型的操作中可能比 ext4 快两倍。

会议结束时讨论了如何使用 clone-file-range ioctl() 操作对文件进行 overlayfs 的 copy_up 操作。访问底层文件进行写入时执行 copy_up，文件在修改之前会被复制到更高层。如果这些层是来自同一文件系统的 loopback-mount 方式挂载的文件，则可以进行 cpy-on-write 操作。Amir Goldstein 似乎认为这样做是很可行的，并且会很有用，但要实现这一目标还需要做工作。

全文完
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