ZFS — カーネルの一部ではないが、避けては通れない

概要: ZFS アーキテクチャ (ZPL/DMU/SPA/ZIL/ARC) → COW トランザクションモデル → Linux VFS との統合 (SPL) → Btrfs/bcachefs との比較 → ライセンス問題

なぜ ZFS は Linux カーネルに含まれないのか

ZFS は CDDL ライセンスを使用しており、Linux の GPLv2 と互換性がありません。Sun/Oracle はデュアルライセンスを選択しなかったため、ZFS は Linux メインラインにマージされることはありません。

解決策⁠: OpenZFS は カーネルモジュール として提供され、DKMS を介してコンパイル・インストールされます。CDDL モジュールと GPL カーネル間のインターフェースは、SPL (Solaris Porting Layer) によって抽象化されます。ライセンス紛争の焦点は「派生作品に該当するか」という点にあり、これは法的なグレーゾーンであるため、ディストリビューションごとの対応が異なります：

Ubuntu: zfs-dkms を直接パッケージ化
Debian: contrib リポジトリで提供
Fedora/RHEL: 公式サポートなし（ユーザーが自行コンパイル）

ZFS アーキテクチャスタック

COW トランザクションモデル

各書き込み操作:
  1. 新しいブロックを割り当て（対象の metaslab で空き領域を検索）
  2. 割り当てられたブロックに新データを書き込み
  3. dnode のブロックポインタを更新（旧ブロックではなく新ブロックを指す）
  4. dnode が変更された → dnode 自体も新しい位置に書き込む必要がある → 上位ポインタを更新
  5. 上位へ遡る → uberblock (ルート) が更新され → 原子操作で完了

重要: 全ポインタ更新は原子的である（uberblock の単一書き込み）
  → クラッシュ後は、旧状態か新状態のどちらかが見えるだけで、中間状態はない
  → これが「ジャーナルがない」という保証である（COW 自体が一貫性を保証する）

トランザクショングループ化 (TXG):
  ZFS は複数のシステムコールによる書き込み操作を 1 つのトランザクショングループ (TXG) に統合する
  約 5 秒ごとにコミットされる (zfs_txg_timeout)
  → 断片化を減らし、書き込みスループットを向上
  → fsync はこの遅延を回避する: ZIL を介して独立してコミットされる

SLOG と ZIL

ZIL (ZFS Intent Log):
  同期書き込み (O_SYNC / fsync) のアクセラレータ
  通常の非同期書き込み → 5 秒ごとの TXG → ZIL は不要
  同期書き込み → ZIL が個別に記録 → ユーザー空間へ返却 → 高速
         → 5 秒後に TXG がコミット → ZIL の記録は破棄可能

SLOG (Separate LOG):
  ZIL を専用デバイス（低遅延 NVMe SSD）に配置
  同期書き込みのレイテンシを HDD から SSD レベルに低下
  クラッシュリカバリ: ZIL + 最新の TXG をリプレイ → 完全な復旧

ZIL はライトキャッシュではない！
  操作ログのみを保存 → データは常に TXG によってメインストレージに書き込まれる
  停電で ZIL が消失 → 直近 5 秒間の同期書き込みのみが消失（非同期書き込みは影響を受けない）

Btrfs/bcachefs との比較

	ZFS	Btrfs	bcachefs
ライセンス	CDDL	GPLv2	GPLv2
カーネル統合	DKMS モジュール	in-tree	in-tree (6.7+)
COW	常に適用	メタデータは常に、データは任意	常に適用
スナップショット	ZVOL, dataset レベル	subvolume	subvolume
RAID	raidz(1/2/3), mirror	raid0/1/10/5/6	複数デバイス階層
ARC/L2ARC	あり	なし (page cache を使用)	なし
重複排除	オンライン (メモリを大量消費)	オフライン (ツールあり)	なし
内蔵圧縮	lz4, zstd, gzip	zstd, lzo, zlib	zstd, lz4, gzip
ストレージ送信/受信	zfs send/recv	btrfs send/receive	計画中

ZFS の明確な優位性は、成熟度（20 年以上の運用実績）と ARC 読み込みキャッシュです。Btrfs の優位性は、カーネルメインラインへの統合と、より軽量な RAID です。bcachefs はまだ新しく、安定性は検証待ちです。

デバッグ

# ARC の状態（zfs のインストールが必要）
cat /proc/spl/kstat/zfs/arcstats

# プールの状態
zpool status
zpool iostat -v 1

# 現在の TXG
cat /sys/module/zfs/parameters/zfs_txg_timeout

参照と拡張

OpenZFS ドキュメント⁠: https://openzfs.github.io/openzfs-docs/
ソースコード⁠: https://github.com/openzfs/zfs
重要論文⁠:
- "The Zettabyte File System" (Sun, 2003)
- "The Adaptive Replacement Cache" (Megiddo & Modha, 2003)

キーワード: ZFS, DMU, ZIL, ARC, SPA, COW, SLOG, dnode, uberblock, TXG, CDDL, DKMS