XFS

بدأت شركة سيليكون غرافيكس تطوير نظام الملفات XFS ^{[ 8 ]} (كان من المفترض إضافة حرف X لاحقًا، لكن ذلك لم يحدث) في عام 1993 لنظام التشغيل IRIX الخاص بها، والمبني على نظام UNIX System V. وتم إصدار نظام الملفات بموجب رخصة جنو العمومية (GPL) في مايو 1999. ^{[ 9 ]}

قام فريق بقيادة ستيف لورد في شركة SGI بنقل نظام الملفات XFS إلى نظام لينكس، ^{[ 10 ]} وجاء أول دعم من توزيعة لينكس في عام 2001. وأصبح هذا الدعم متاحًا تدريجيًا في جميع توزيعات لينكس تقريبًا. ^{[ 11 ]}

بدأ دعم نظام الملفات XFS في نواة لينكس من خلال تصحيحات من شركة SGI. دُمج هذا الدعم في نواة لينكس الرئيسية في سلسلة الإصدارات 2.6، ثم دُمج بشكل منفصل في فبراير 2004 في سلسلة الإصدارات 2.4 في الإصدار 2.4.25، ^{[ 12 ]} مما جعل نظام XFS متاحًا بشكل شبه كامل على أنظمة لينكس. ^{[ 13 ]} وأصبحت توزيعة جنتو لينكس أول توزيعة لينكس تُتيح خيار استخدام نظام XFS كنظام الملفات الافتراضي في منتصف عام 2002. ^{[ 14 ]}

أضاف نظام FreeBSD دعم القراءة فقط لنظام الملفات XFS في ديسمبر 2005، وفي يونيو 2006 قدم دعمًا تجريبيًا للكتابة. مع ذلك، كان الهدف من ذلك مجرد تسهيل عملية الانتقال من نظام Linux، وليس اعتماده كنظام ملفات رئيسي. وقد أزال نظام FreeBSD 10 دعم نظام XFS. ^{[ 15 ]}

في عام ٢٠٠٩، احتوت النسخة ٥.٤ من توزيعة لينكس Red Hat Enterprise Linux (RHEL) ذات ٦٤ بت على دعم النواة اللازم لإنشاء واستخدام أنظمة ملفات XFS، لكنها افتقرت إلى أدوات سطر الأوامر المقابلة. كانت الأدوات المتوفرة من CentOS تؤدي الغرض نفسه، كما وفرتها Red Hat لعملاء RHEL عند الطلب. ^{[ ١٦ ]} أما RHEL  ٦.٠، التي صدرت عام ٢٠١٠، فقد تضمنت دعم XFS مقابل رسوم كجزء من "إضافة نظام الملفات القابل للتوسع" من Red Hat. ^{[ ١٧ ]} كما تضمنت Oracle Linux ٦، التي صدرت عام ٢٠١١، خيار استخدام XFS. ^{[ ١٨ ]}

يستخدم نظام التشغيل RHEL  7.0، الذي صدر في يونيو 2014، نظام الملفات XFS كنظام الملفات الافتراضي، ^{[ 19 ]} بما في ذلك دعم استخدام XFS للقسم /boot، وهو أمر لم يكن عمليًا في السابق بسبب وجود أخطاء في برنامج الإقلاع GRUB . ^{[ 20 ]}

أضافت نواة لينكس 4.8 في أغسطس 2016 ميزة جديدة هي "الربط العكسي". تُشكل هذه الميزة أساسًا لمجموعة كبيرة من الميزات المخطط لها، مثل: اللقطات ، ونسخ البيانات عند الكتابة (COW)، وإزالة البيانات المكررة، ونسخ الروابط المرجعية، وتنظيف البيانات والبيانات الوصفية عبر الإنترنت ، والإبلاغ بدقة عالية عن فقدان البيانات أو القطاعات التالفة، وتحسين إعادة بناء أنظمة الملفات التالفة أو المعطوبة بشكل ملحوظ. تطلّب هذا العمل تغييرات في تنسيق XFS على القرص. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تضمنت نواة لينكس 5.10، التي صدرت في ديسمبر 2020، تنسيق القرص الجديد XFS v5. شكّل هذا تحولًا جذريًا، إذ لا يمكن تحويل تنسيق XFS v4 القديم إلى XFS v5. يجب نسخ البيانات الموجودة على الأقسام المُهيأة بتنسيق XFS v4 احتياطيًا إلى قسم أو وسائط تخزين أخرى لاستعادتها بعد تهيئة القسم القديم بتنسيق XFS v5، الأمر الذي يمحو جميع البيانات الموجودة عليه نهائيًا. سيتم إزالة دعم XFS v4 من نواة لينكس في سبتمبر 2030. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

قدّم نظام الملفات XFS v5 ميزة "bigtime" لتخزين الطوابع الزمنية للعقدة (inode) كعداد نانوثانية 64 بت بدلاً من عداد الثواني التقليدي 32 بت. يؤجل هذا الأمر مشكلة عام 2038 السابقة إلى عام 2486. ^{[ 4 ]} كما قدّم أيضًا ميزة التحقق من صحة البيانات الوصفية.

أوصى دليل Gentoo Handbook، وهو دليل التثبيت الرسمي لنظام Gentoo Linux ، بنظام الملفات XFS باعتباره "نظام الملفات متعدد الأغراض لجميع المنصات" منذ 28 يونيو 2023، خلفًا لنظام Ext4 . ^{[ 25 ]}

نظام الملفات XFS هو نظام 64 بت ^{[ 26 ]} ويدعم حجمًا أقصى لنظام الملفات يبلغ 8 إكسابايت ناقص بايت واحد (2^ ⁶³  - 1 بايت)، ولكن القيود التي يفرضها نظام التشغيل المضيف قد تقلل هذا الحد. أنظمة لينكس 32 بت تحد من حجم كل من الملف ونظام الملفات إلى 16 تيرابايت .

في الحوسبة الحديثة، تُعدّ خاصية التسجيل (Journaling) ميزةً تضمن اتساق البيانات في نظام الملفات، بغض النظر عن أي انقطاع في التيار الكهربائي أو تعطل في النظام. يوفر نظام الملفات XFS خاصية التسجيل لبيانات تعريف نظام الملفات، حيث تُكتب تحديثات نظام الملفات أولاً إلى سجل تسلسلي قبل تحديث كتل القرص الفعلية. السجل عبارة عن مخزن مؤقت دائري لكتل ​​القرص لا تتم قراءته في التشغيل العادي لنظام الملفات.

يمكن تخزين سجل XFS داخل قسم البيانات في نظام الملفات (كسجل داخلي)، أو على جهاز منفصل لتقليل التنازع على القرص.

في نظام الملفات XFS، يحتوي سجل النظام بشكل أساسي على إدخالات تصف أجزاء كتل القرص التي تم تغييرها بواسطة عمليات نظام الملفات. يتم تحديث سجل النظام بشكل غير متزامن لتجنب انخفاض سرعة الأداء.

في حال تعطل النظام، يمكن إعادة تطبيق عمليات نظام الملفات التي حدثت مباشرةً قبل التعطل وإكمالها كما هو مسجل في سجل العمليات، وهذا ما يحافظ على اتساق البيانات المخزنة في أنظمة ملفات XFS. تتم عملية الاستعادة تلقائيًا عند أول عملية تحميل لنظام الملفات بعد التعطل. وتعتمد سرعة الاستعادة على عدد عمليات نظام الملفات المطلوب إعادة تطبيقها، بغض النظر عن حجم نظام الملفات.

تُقسّم أنظمة ملفات XFS داخليًا إلى مجموعات تخصيص ، وهي مناطق خطية متساوية الحجم داخل نظام الملفات. يمكن للملفات والمجلدات أن تمتد عبر مجموعات التخصيص. تُدير كل مجموعة تخصيص عقدها (inodes) ومساحتها الحرة بشكل منفصل، مما يوفر قابلية التوسع والتوازي بحيث يمكن لعدة خيوط وعمليات تنفيذ عمليات الإدخال/الإخراج على نظام الملفات نفسه في وقت واحد.

تُسهم هذه البنية في تحسين أداء الإدخال/الإخراج المتوازي على الأنظمة متعددة المعالجات و/أو النوى، حيث يمكن أيضًا تنفيذ تحديثات البيانات الوصفية بالتوازي. ويُعدّ التقسيم الداخلي الذي توفره مجموعات التخصيص مفيدًا للغاية عندما يمتد نظام الملفات عبر أجهزة مادية متعددة، مما يسمح بالاستخدام الأمثل لإنتاجية مكونات التخزين الأساسية.

إذا كان سيتم إنشاء نظام ملفات XFS على مصفوفة RAID مُقسّمة ، فيمكن تحديد وحدة التوزيع عند إنشاء نظام الملفات. وهذا يُحسّن الإنتاجية إلى أقصى حد من خلال ضمان توافق تخصيصات البيانات وتخصيصات العقد وسجل العمليات الداخلي (السجل) مع وحدة التوزيع.

تُدار الكتل المستخدمة في الملفات المخزنة على أنظمة ملفات XFS باستخدام نطاقات ذات أطوال متغيرة ، حيث يصف كل نطاق كتلة واحدة أو أكثر من الكتل المتجاورة. وهذا من شأنه أن يُقلل قائمة الكتل بشكل كبير، مقارنةً بأنظمة الملفات التي تُدرج جميع الكتل التي يستخدمها الملف بشكل فردي.

تُدير أنظمة الملفات الموجهة نحو الكتل تخصيص المساحة باستخدام خريطة بت واحدة أو أكثر موجهة نحو الكتل؛ أما في نظام الملفات XFS، فتُستبدل هذه البنى ببنية موجهة نحو الامتدادات تتكون من شجرتين B+ لكل مجموعة تخصيص في نظام الملفات. تُفهرس إحدى شجرتي B+ بطول الامتدادات الحرة، بينما تُفهرس الأخرى بكتلة البداية لهذه الامتدادات. يتيح نظام الفهرسة المزدوج هذا تخصيصًا عالي الكفاءة للامتدادات الحرة لعمليات نظام الملفات.

يمثل حجم كتلة نظام الملفات وحدة التخصيص الدنيا. يسمح نظام XFS بإنشاء أنظمة ملفات بأحجام كتل تتراوح بين 512  بايت و64  كيلوبايت، مما يتيح ضبط نظام الملفات وفقًا لمستوى الاستخدام المتوقع. عند توقع وجود العديد من الملفات الصغيرة، يُفضّل عادةً استخدام حجم كتلة صغير لزيادة السعة، ولكن بالنسبة لنظام يتعامل بشكل أساسي مع الملفات الكبيرة، يمكن أن يوفر حجم الكتلة الأكبر ميزة في كفاءة الأداء.

يستخدم نظام الملفات XFS تقنيات التقييم المؤجل لتخصيص الملفات. فعند كتابة ملف إلى ذاكرة التخزين المؤقت، بدلاً من تخصيص مساحات للبيانات، يقوم XFS ببساطة بحجز العدد المناسب من كتل نظام الملفات للبيانات المخزنة في الذاكرة. ولا يتم تخصيص الكتل فعلياً إلا عند كتابة البيانات نهائياً إلى القرص. وهذا يُحسّن من احتمالية كتابة الملف في مجموعة متجاورة من الكتل، مما يقلل من مشاكل التجزئة ويزيد من الأداء.

يُوفّر نظام ملفات XFS مساحة عناوين متفرقة 64 بت لكل ملف، مما يسمح بأحجام ملفات كبيرة جدًا، بالإضافة إلى إمكانية وجود "فجوات" داخل الملفات لا تُخصّص لها مساحة على القرص. ولأن نظام الملفات يستخدم خريطة امتداد لكل ملف، فإن حجم خريطة تخصيص الملفات يبقى صغيرًا. وعندما يكون حجم خريطة التخصيص كبيرًا جدًا بحيث لا يمكن تخزينه داخل عقدة البيانات (inode)، تُنقل الخريطة إلى شجرة B+، مما يُتيح الوصول السريع إلى البيانات في أي مكان ضمن مساحة العناوين 64 بت المُخصصة للملف.

يوفر نظام الملفات XFS مسارات بيانات متعددة للملفات، وذلك بفضل تطبيقه للسمات الموسعة . تسمح هذه السمات بتخزين عدد من أزواج الاسم/القيمة المرتبطة بالملف. الأسماء عبارة عن سلاسل نصية قابلة للطباعة تنتهي بحرف فارغ، ويصل طولها إلى 256 بايت، بينما يمكن أن تحتوي قيمها المرتبطة بها على بيانات ثنائية  تصل إلى 64 كيلوبايت . 

وتنقسم هذه الملفات إلى مساحتين فرعيتين: rootو user. لا يمكن تعديل السمات الموسعة المخزنة في مساحة الاسم الجذرية إلا بواسطة المستخدم المتميز، بينما يمكن تعديل السمات الموجودة في مساحة اسم المستخدم بواسطة أي مستخدم لديه إذن بالكتابة إلى الملف.

يمكن إضافة سمات موسعة إلى أي نوع من أنواع عقد XFS، بما في ذلك الروابط الرمزية، وعقد الأجهزة، والمجلدات، وما إلى ذلك. attrيمكن استخدام الأداة المساعدة للتحكم في السمات الموسعة من سطر الأوامر، وتتعرف الأدوات المساعدة xfsdumpالأخرى xfsrestoreعلى هذه السمات، وتقوم بنسخ محتوياتها احتياطيًا واستعادتها. لا تدعم العديد من أنظمة النسخ الاحتياطي الأخرى التعامل مع السمات الموسعة.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب معدل نقل بيانات عالٍ إلى القرص، يوفر نظام ملفات XFS آلية إدخال/إخراج مباشرة تسمح بتطبيق عمليات الإدخال/الإخراج غير المخزنة مؤقتًا مباشرةً على مساحة المستخدم. يتم نقل البيانات بين مخزن التطبيق المؤقت والقرص باستخدام تقنية الوصول المباشر إلى الذاكرة (DMA) ، مما يتيح الوصول إلى عرض النطاق الترددي الكامل للإدخال/الإخراج لأجهزة القرص الأساسية.

لا يدعم نظام ملفات XFS حاليًا اللقطات بشكل مباشر ^{[ 27 ]} ، إذ يعتمد على مدير وحدات التخزين لتنفيذ عملية إنشاء اللقطات. تتضمن عملية إنشاء لقطة لنظام ملفات XFS إيقاف عمليات الإدخال/الإخراج مؤقتًا باستخدام الأداة xfs_freezeالمساعدة، ثم يقوم مدير وحدات التخزين بإنشاء اللقطة، وبعد ذلك يستأنف عمليات الإدخال/الإخراج لمتابعة العمليات الاعتيادية. يمكن بعد ذلك تحميل اللقطة للقراءة فقط لأغراض النسخ الاحتياطي.

تضمنت إصدارات نظام الملفات XFS في نظام IRIX مدير وحدات تخزين مدمجًا يُسمى XLV. لم يتم نقل مدير وحدات التخزين هذا إلى نظام Linux، ويعمل نظام XFS مع LVM القياسي في أنظمة Linux بدلاً من ذلك.

في نواة لينكس الحديثة، xfs_freezeتُنفَّذ هذه الوظيفة في طبقة نظام الملفات الافتراضي (VFS)، وتُشغَّل تلقائيًا عند استدعاء وظيفة اللقطات في مدير وحدات التخزين. كانت هذه ميزة قيّمة في السابق، إذ لم يكن بالإمكان تعليق نظام الملفات ext3 ^{[ 28 ]} ، ولم يكن مدير وحدات التخزين قادرًا على إنشاء لقطة "نشطة" متسقة لعمل نسخة احتياطية لقاعدة بيانات ذات استخدام مكثف ^{[ 29 ]} . لحسن الحظ، لم يعد هذا هو الحال. فمنذ إصدار لينكس 2.6.29، أصبحت أنظمة الملفات ext3 و ext4 و GFS2 و JFS تدعم ميزة التجميد أيضًا ^{[ 30 ] .}

على الرغم من أن طبيعة نظام الملفات XFS القائمة على الامتداد واستراتيجية التخصيص المؤجل التي يستخدمها تُحسّن بشكل كبير مقاومة نظام الملفات لمشاكل التجزئة، إلا أن XFS يوفر أداة لإلغاء تجزئة نظام الملفات ( xfs_fsrاختصارًا لـ XFS filesystem reorganizer) والتي يمكنها إلغاء تجزئة الملفات على نظام ملفات XFS مُثبّت ونشط. ^{[ 31 ]}

يوفر نظام ملفات XFS xfs_growfsإمكانية توسيع أنظمة ملفات XFS أثناء التشغيل. يمكن توسيع أنظمة ملفات XFS طالما توجد مساحة غير مخصصة متبقية على الجهاز الذي يحتوي على نظام الملفات. تُستخدم هذه الميزة عادةً بالتزامن مع إدارة وحدات التخزين، وإلا سيتطلب الأمر توسيع القسم الذي يحتوي على نظام الملفات بشكل منفصل.

يدعم نظام ملفات XFS جهازًا منفصلاً يُسمى جهاز الوقت الحقيقي، والذي يستخدم مُخصِّصًا بسيطًا مُحدَّدًا للخرائط النقطية بدلاً من مُخصِّص شجرة B+ الأكثر قابلية للتوسع ولكنه أكثر تعقيدًا، والذي يُستخدم عادةً في XFS ^{[ 32 ]} . أُضيف جهاز الوقت الحقيقي في الأصل لدعم معدل الإدخال/الإخراج المضمون، ولكن استُخدم لأغراض أخرى لاحقًا. اليوم، يتمثل الاستخدام الأكثر شيوعًا في وضع البيانات الوصفية على محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD) مع وضع البيانات على محرك أقراص صلبة.

في نظام لينكس 4.9، أضاف نظام الملفات XFS دعمًا لمشاركة الكتل المتطابقة بين الملفات، مما يوفر طريقة سريعة لاستنساخ الملفات ويسمح لأدوات مساحة المستخدم بتنفيذ إزالة البيانات المكررة خارج النطاق . يتم تنفيذ دعم إعادة الربط باستخدام شجرة B+ جديدة لكل مجموعة تخصيص، تتعقب عدد المراجع لكل كتلة فعلية، وتغييرات في مسار الكتابة لتنفيذ النسخ عند الكتابة عند الكتابة فوق الكتل ذات عدد الكتل المرتفع. ^{[ 33 ]}

ابتداءً من إصدار لينكس 6.10، يدعم نظام ملفات XFS فحص وإصلاح جميع البيانات الوصفية عبر الإنترنت ^{[ 34 ]} . ولدعم إعادة بناء هياكل بيانات تتبع المساحة الحرة بكفاءة، أُضيفت شجرة B+ معكوسة (rmap) ^{[ 33 ]} ، ولتوفير بيانات وصفية زائدة لتسلسل الملفات، أُضيفت مؤشرات الأصل المخزنة كسمات موسعة ^{[ 35 ]} . ابتداءً من إصدار لينكس 7.0، يدعم نظام XFS الإصلاح الذاتي التلقائي استنادًا إلى هذه الميزات، حيث يبدأ برنامج xfs_healer عملية الإصلاح تلقائيًا عند الحاجة ^{[ 36 ]} .

أضاف نظام لينكس 6.15 مُخصِّصًا جديدًا للمناطق لدعم التخزين المُقسَّم إلى مناطق، بما في ذلك محركات الأقراص الصلبة التي تستخدم تقنية التسجيل المغناطيسي المتداخل (SMR) ومحركات أقراص الحالة الصلبة NVM Express SSD باستخدام مجموعة أوامر zoned ^{[ 37 ]} . يعمل مُخصِّص المناطق على جهاز الوقت الحقيقي ويخزن بيانات الملفات فقط. أما البيانات الوصفية فتستخدم مُخصِّص XFS الموجود على الجهاز الرئيسي. لدعم محركات الأقراص الصلبة SMR التي لا تستخدم مناطق تقليدية، يُضيف نظام XFS المُقسَّم إلى مناطق دعم لجهاز وقت حقيقي داخلي، حيث يقع الجهازان الرئيسي وجهاز الوقت الحقيقي على نفس وحدة تخزين لينكس. يكتب مُخصِّص المناطق دائمًا خارج مكانه، ويكتب دائمًا بالتسلسل ^{[ 38 ]} في عدد محدود من المناطق المفتوحة. ويتم إجراء عملية جمع البيانات المهملة لإخلاء الكتل الصالحة في المناطق المستخدمة جزئيًا لإنشاء مناطق حرة تُستخدم لمزيد من عمليات الكتابة. يمكن لنظام الملفات XFS المُقسّم إلى مناطق استخدام مناطق مفتوحة متعددة ويقوم بوضع البيانات بشكل ذكي، مما يؤدي إلى أداء أفضل من أنظمة الملفات الأخرى على التخزين المُقسّم إلى مناطق، بل ويتفوق على أنظمة الملفات التقليدية على محركات الأقراص الصلبة SSD العادية في بعض حالات الاستخدام ^{[ 39 ] [ 40 ]} .

• كانت عمليات البيانات الوصفية في نظام الملفات XFS أبطأ مقارنةً بأنظمة الملفات التي تعتمد على التسجيل، والتي طُورت لاحقًا وصُممت للعمل مع سجلات أكبر بكثير، مما أدى، على سبيل المثال، إلى تباطؤ الأداء في عمليات مثل حذف أعداد كبيرة من الملفات. ومع ذلك، يُقال إن ميزة جديدة في XFS، طُورت بواسطة ديف تشينر وتُسمى التسجيل المؤجل ، والمتاحة منذ الإصدار 2.6.39 من نواة لينكس الرئيسية، قد حلت هذه المشكلة؛ ^{[ 48 ]} وكشفت اختبارات الأداء التي أجراها المطور في عام 2010 أن مستويات الأداء مماثلة لنظام ext4 عند عدد قليل من الخيوط، ومتفوقة عند عدد كبير من الخيوط. ^{[ 49 ]}