单文件系统超大规模数据存储目录结构设计

单文件系统超大规模数据存储目录结构设计是指为管理TB、PB级甚至EB级数据量而优化的文件系统目录架构方案。这种设计需要在传统文件系统限制下实现高效的数据存储、检索和管理。

核心挑战

文件系统限制：传统文件系统对单个目录下的文件数量有限制（通常数十万到数百万）;
性能下降：目录中文件过多会导致查找性能急剧下降，无论是du、df、ls等命令都会变得异常缓慢;
元数据管理：海量文件的元数据管理成为瓶颈;

实现方案

哈希分片目录结构

def get_file_path(file_id, base_path="/data"):
    # 使用文件ID的MD5哈希前4个字符作为目录层级
    hash_str = hashlib.md5(file_id.encode()).hexdigest()
    path = f"{base_path}/{hash_str[0:2]}/{hash_str[2:4]}/{file_id}"
    return path

这种方案将文件均匀分布到256×256=65,536个子目录中，每个目录只包含少量文件。另外需要注意如果file_id是根据文件名计算的，那么文件名会出现重名的情况，这样导致他们被分配到同一个目录中，为了避免这个问题，file_id需要一个精心设计的规则，要充分考虑计算速度、并发两个因素。可以使用高精度时间戳+随机数+文件名组合来计算file_id，甚至可以对这个file_id进行MD5哈希作为新的file_id。

时间分区目录结构

/data
  /2025
    /07
      /15
        /file1
        /file2
      /16
  /2026
    /01

适用于时间序列数据，便于按时间范围检索和归档。

租户分区目录结构

/data
  /tenant1
    /file1
    /file2
  /tenant2
    /file1
    /file2

租户首字母分区，便于按租户检索和归档。

/data
  /a
    /atenant
      /file1
      /file2
  /b
    /btenant
      /file1
      /file2

混合分区策略

结合哈希和时间分区：

/data
  /2025
    /07
      /15
        /ab
          /cd
            /file1

结合租户和时间分区：

/data
  /a
    /atenant
      /2025
        /07
          /15
            /file1

开发测试记录

单文件系统超大规模数据存储目录结构设计方案