ext4（イーエックスティーフォー）

2025年10月26日

ext4（イーエックスティーフォー）

英語表記: ext4

概要

ext4は、主にLinuxオペレーティングシステム（OS）で標準的に採用されている、非常に信頼性の高いファイルシステムです。これは、ストレージデバイス（HDD, SSD, NVMe）上にデータを整理し、効率的に管理するための論理的な構造を提供する役割を担っており、「ファイルシステムの種類」という分類の中で最も広く利用されています。従来のext3ファイルシステムの後継として開発され、大容量のストレージに対応し、パフォーマンスとデータの整合性を大幅に向上させています。

詳細解説

ext4は、私たちが日々使用するストレージデバイス（HDD、SSDなど）の物理的な記憶領域を、OSが認識できる「ファイル」や「ディレクトリ」という論理的な単位に変換し、管理する根幹の仕組みです。このため、ストレージデバイス（HDD, SSD, NVMe）という物理層の上に、ファイルシステムと論理構造を築き上げる上で、ext4は欠かせない要素となっています。

1. 開発の背景と目的

ext4は、Linuxの歴史的なファイルシステムであるext2、ext3の進化形として2008年頃に登場しました。ext3は信頼性は高かったものの、技術的な限界から最大ボリュームサイズが16TB程度、最大ファイルサイズが2TB程度に制限されていました。現代のペタバイト級のストレージに対応し、かつアクセス速度を向上させることがext4の最大の目的でした。

2. ジャーナリング機能による信頼性の確保

ext4がファイルシステムと論理構造の中で特に優れている点の一つが、堅牢なジャーナリング（Journaling）機能です。ジャーナリングとは、実際にデータがディスクに書き込まれる前に、まず「これからこのような変更を行います」という操作ログ（履歴）を記録しておく仕組みです。

もしファイル書き込み中に予期せぬ停電やシステムクラッシュが発生した場合、ジャーナリング機能がないファイルシステムでは、ディスク上のデータが中途半端な状態になり、ファイルシステム全体が破損する可能性がありました。しかし、ext4はクラッシュ後にジャーナルログを確認し、未完了の操作を迅速に元に戻す（ロールバック）か、または完了させることで、短時間でデータ整合性を回復できます。これは、サーバーやデータベースなど、データの信頼性が最優先される環境において、非常に重要な機能です。

3. パフォーマンス向上のための主要技術

ext4は、大容量かつ高速なアクセスを実現するために、ext3にはなかった革新的な技術を導入しています。

エクステント（Extents）の採用

従来のext2やext3では、ファイルを構成するデータブロックを一つ一つ管理していました。しかし、ファイルが大きくなると、その管理情報（iノード）が膨大になり、ファイルがディスク上でバラバラに配置される「断片化」も深刻化しました。

ext4では、エクステントという仕組みを採用しています。これは、連続する複数のデータブロックを「ひとまとまり」として管理する技術です。例えば、「ブロック100からブロック110までの10個のブロック」という情報を一つ記録するだけで済むため、管理情報が劇的に削減されます。これにより、特に大容量のファイルを読み書きする際のパフォーマンスが大幅に向上し、断片化も抑制されます。

遅延割り当て（Delayed Allocation）

ext4は、アプリケーションがデータを書き込もうとしたとき、すぐにディスク上の物理的な場所を割り当てるのではなく、メモリ内でデータをバッファリングし、最適なタイミングと配置でまとめて書き込む遅延割り当てを行います。これにより、ディスクのI/O効率が最大化され、データの連続性が保たれやすくなります。これは、ストレージデバイス（特にSSDやNVMe）の性能を最大限に引き出すための重要な論理構造の工夫と言えますね。

具体例・活用シーン

ext4は、現在、事実上のLinux標準ファイルシステムとして、幅広いシーンで利用されています。

Linuxデスクトップ環境: Ubuntu、Fedora、Debianなど、ほとんどの主要なLinuxディストリビューションが、インストール時にext4を標準のファイルシステムとして推奨しています。日常的なファイル操作やアプリケーションの実行において、高い安定性と速度を提供しています。
Webサーバー・データベースサーバー: サーバー環境では、データの整合性が最も重要です。ext4の堅牢なジャーナリング機能は、予期せぬサーバー停止が発生しても、データ破損のリスクを最小限に抑え、迅速な復旧を可能にします。
NAS（ネットワーク接続ストレージ）: 大容量のデータを扱う家庭用・企業用のNASシステムにおいて、ext4は数十テラバイトのストレージを効率的に管理するために利用されています。

アナロジー：最新鋭の「データ管理センター」

ext4の機能を初心者の方に分かりやすくするために、これを最新鋭の「データ管理センター」に例えてみましょう。

以前のシステム（ext3）の管理センターは、すべてのファイルを扱う際に、ファイルの場所を細かく記録した古い台帳（iノード）を使っていました。この台帳は巨大なファイル（データ）を扱うにはページ数が多すぎて、探すのに時間がかかり、すぐに台帳自体がいっぱいになってしまいました。

これに対して、ext4という新しい管理システムは、エクステントという仕組みを導入しました。これは、「この文書（ファイル）は、棚Aの100番から200番まで連続して置いてありますよ」と、場所をまとめて記録する効率的な方法です。これにより、大容量の文書でも管理台帳がスリムになり、検索速度が劇的に向上しました。

さらに、この管理センターにはジャーナリングという「作業ログ」を常に記録する仕組みがあります。もし突然、停電（システムクラッシュ）が発生して作業が中断しても、次に電源が入ったとき、この作業ログをチェックするだけで、「どの文書のどの部分まで書き換え作業が進んでいたか」を正確に把握できます。これにより、中途半端な状態でデータが残ることを防ぎ、すぐに安全な状態に復旧できるのです。

このように、ext4は単にデータを保存するだけでなく、ストレージデバイスの特性を最大限に活かし、高速かつ安全に管理するための論理的な知恵が詰まったシステムなのです。