Linux文件系统的进化

原文：A study of Linux file system evolution, in FAST'13.

这是会议的最佳论文，分析了8年时间内六个主流Linux文件系统（Ext3，Ext4，XFS， Btrfs， ReiserFS,  JFS）的5079个补丁，详细解答了什么补丁最多，什么bug最多等问题。这里将几个有意思的结论列出来。

1. 维护型补丁最多

维护型补丁包括改善代码的可读性，简化代码结构等等，此类补丁占了60%之多，足见良好的可维护性对于一个复杂的开源项目是十分重要的。

2. bug修复型补丁第二多，并且伴随着软件的整个生命周期

有40%的补丁是bug修复型补丁。对于像Btrfs这种仍在开发的文件系统，bug很多不奇怪。最让人吃惊的，是Ext3这种老牌的成熟的文件系统仍然有很多bug修复型补丁，事实上，一点也不必Btrfs少。新发现的bug数量并不会随着软件成熟而慢慢减少，这意味着修复bug是软件开发的永恒主题。看来软件开发人员必须要学会享受debug。

3. 大多数bug出现在元数据管理相关模块，而使用复杂的数据结构并不会增加bug

研究发现inode、superblocks相关的元数据管理模块的代码量不多，但是bug却非常多。它们保存了系统的关键信息，被频繁访问和修改，因此出现更多的bug也正常。其次，使用树这样的复杂数据结构并不会增加很多bug，原因可能是开发人员比较重视，因此我们应该鼓励使用合适的数据结构。

4. 语义bug最多

文件系统的bug可以分为四大类：语义bug，并发bug，内存bug，错误码bug。其中语义bug最多，占了60%左右。所谓语义bug，包括错误地更新了文件系统的状态，算法错误，错误的IO请求顺序，打字错误等。通常修复语义bug需要对文件系统有相当了解，现有debug工具很难发现和解决此类bug。

5.与用户程序相比，并发bug更多，内存bug更少

文件系统的并发bug大约占20%，而用户程序中，并发bug只占3%；文件系统的内存bug大约占10%，要比用户程序少得多。并发bug包括死锁、忘记解锁、多次解锁、原子性问题等；内存bug包括内存泄漏、空指针、悬挂指针、多次释放、缓冲区溢出等。

6.大多数bug会造成严重的后果

40%的bug会造成数据损坏，20%的bug会造成系统崩溃，10%会造成死锁，10%会造成系统进入未知状态。

7. 不同种类的bug会造成不同的后果

数据损坏、系统崩溃等大多是由语义bug导致的，死锁大多是由并发bug导致的，内存泄漏大多是由内存bug导致的。错误码bug可能导致各种后果，但是比例都不大。

8.大多数bug修复型补丁很小，只有几行代码

50%以上的bug修复型补丁小于10行代码，说明修正一个bug并不复杂，debug难在分析和重现一个bug。论文还给出了各种bug的例子，补丁都很短，如下图。

可以看到这些bug都很简单，并不比我们平常写程序遇到的bug更高级。除了semantic bugs以外，其它的bug应该是共通的，大多数程序员都迟早也面临着内存、并发的坎。