一、学习内容

1.Ext2物理结构
2.Ext2数据结构
3.Ext2文件系统操作

二、Ext2物理结构

Ext2第二代扩展文件系统（Second extended filesystem），是LINUX内核使用的文件系统
Ext2文件系统特性：
1.磁盘块分为组
2.支持快速符号链接
3.在启动时支持对文件系统的状态进行自动的一致性检查
4.Ext2索引节点中引入新的字段（块、删除逻辑、日志）
必须建立各种结构（在内核中定义为C语言数据类型），来存放文件系统的数据，包括文件内容、目录层次结构的表示、相关的管理数据（如访问权限与用户和组的关联），以及用于管理文件系统内部信息的元数据。这些对从块设备读取数据进行分析而言，都是必要的。这些结构的持久副本显然需要存储在硬盘上，这样数据再两次会话之间不会丢失。下一次启动重新激活内核时，数据仍然时可用的。因为硬盘和物理内存的需求不同，同一数据结构通常会有两个版本，一个用在磁盘上的持久存储，另一个用在内存中的处理。
Ext2文件系统专注于高性能
1.支持可变块长，使得文件系统能够处理预期的应用；
2.快速符号链接，如果链接目标的路径足够短，则将其存储在inode自身中；
3.将扩展能力集成到设计当中，从旧版本迁移到新版本时，无需重新格式化和重新加载硬盘；
4.Ext2有一个非常大的有点（与现代文件系统相比，Ext2文件系统的代码非常紧凑，使用不到10000行代码就足以实现了）。
块（block）的两个含义
1.有些文件系统存储在面向块的设备上，与设备之间的数据传输都以块为单位进行，不会传输单个字符。
2.Ext2文件系统是一种基于块的文件系统，他将硬盘分为若干块，每个块的长度都相同，按块管理元数据和文件内容。
块组
块组是该文件系统的基本成分，容纳文件系统其他结构，每个文件系统都由大量块组成，直接在硬盘上相继排列。
块组是Ext2文件系统的核心要素。块组是该文件系统的基本成分，容纳了文件系统的其他结构。

为什么Ext2文件系统允许这样浪费空间？有两个原因，可以证明提供额外的空间的做法是正确的。
1.如果系统崩溃破坏的超级块，有关文件系统结构和内容所有信息都会丢失。如果有冗余的副本，该信息是可能恢复的。
2.通过使文件和管理数据尽可能的接近，减少磁头寻道和旋转，这可以提高文件系统的性能。
超级块：用于存储文件系统自身元数据的核心结构，内核只使用第一个块组的超级块读取文件系统的元信息。
块描述符：包含的信息反映文件系统各个块组的状态，比如：块组中空闲块和inode数目，每个块组都包含了文件系统中所有块组的组描述符信息。
indoe表：包含块组中所有的inode，inode用于保存文件系统中与各个文件和目录相关的所有元数据。
数据块：包含文件系统中的文件的有用数据。

三、EXT2的数据结构

超级块
超级块：超级块是文件系统的核心结构，保存了文件系统所有的特征数据。内核在装载文件系统时，最先看到的就是超级块的内容。使用ext2_super_block结构定义超级块。

/** Structure of the super block*/
struct ext2_super_block {__le32 s_inodes_count;     /* Inodes count (inode数目)*/__le32   s_blocks_count;     /* Blocks count (块数目)*/__le32   s_r_blocks_count;   /* Reserved blocks count（已分配块的数目） */__le32    s_free_blocks_count;    /* Free blocks count （空闲块数目）*/__le32  s_free_inodes_count;    /* Free inodes count（空闲inode数目） */__le32  s_first_data_block; /* First Data Block （第一个数据块）*/__le32  s_log_block_size;   /* Block size （块长度）*/__le32   s_log_frag_size;    /* Fragment size （碎片长度）*/__le32   s_blocks_per_group; /* # Blocks per group （每个块组包含的块数）*/__le32 s_frags_per_group;  /* # Fragments per group （每个块包含的碎片）*/__le32   s_inodes_per_group; /* # Inodes per group （每个块组的inode数目））*/__le32  s_mtime;        /* Mount time （装载时间）*/__le32  s_wtime;        /* Write time （写入时间）*/__le16  s_mnt_count;        /* Mount count （装载计数）*/__le16 s_max_mnt_count;    /* Maximal mount count （最大装载数）*/__le16    s_magic;        /* Magic signature （魔数，标记文件系统类型）*/__le16   s_state;        /* File system state （文件系统状态）*/__le16 s_errors;       /* Behaviour when detecting errors （检测到错误时的行为）*/__le16    s_minor_rev_level;  /* minor revision level （副修订号）*/__le32    s_lastcheck;        /* time of last check （上一次检查的时间）*/__le32  s_checkinterval;    /* max. time between checks （两次检查允许间隔的最长时间）*/__le32   s_creator_os;       /* OS （创建文件系统的操作系统）*/__le32   s_rev_level;        /* Revision level （修订号）*/__le16   s_def_resuid;       /* Default uid for reserved blocks （能够使用的保留块的默认uid）*/__le16   s_def_resgid;       /* Default gid for reserved blocks （能够使用保留块的默认GID）*//** These fields are for EXT2_DYNAMIC_REV superblocks only.** Note: the difference between the compatible feature set and* the incompatible feature set is that if there is a bit set* in the incompatible feature set that the kernel doesn't* know about, it should refuse to mount the filesystem.* * e2fsck's requirements are more strict; if it doesn't know* about a feature in either the compatible or incompatible* feature set, it must abort and not try to meddle with* things it doesn't understand...*/__le32  s_first_ino;        /* First non-reserved inode （第一个非保留的inode）*/__le16   s_inode_size;        /* size of inode structure (inode结构的长度)*/__le16 s_block_group_nr;   /* block group # of this superblock （当前超级块所在的块组编号）*/__le32    s_feature_compat;   /* compatible feature set 兼容特性集*/__le32 s_feature_incompat;     /* incompatible feature set 不兼容特性集*/__le32  s_feature_ro_compat;    /* readonly-compatible feature set 只读兼容特性集*/__u8    s_uuid[16];     /* 128-bit uuid for volume 卷的128位的uuid*/char    s_volume_name[16];  /* volume name 卷名*/char s_last_mounted[64];     /* directory where last mounted 上次装载的目录*/__le32 s_algorithm_usage_bitmap; /* For compression 用于压缩*//** Performance hints.  Directory preallocation should only* happen if the EXT2_COMPAT_PREALLOC flag is on.*/__u8    s_prealloc_blocks;  /* Nr of blocks to try to preallocate（试图预分配的块数）*/__u8 s_prealloc_dir_blocks;  /* Nr to preallocate for dirs 试图为目录预分配的块数*/__u16    s_padding1;/** Journaling support valid if EXT3_FEATURE_COMPAT_HAS_JOURNAL set.*/__u8   s_journal_uuid[16]; /* uuid of journal superblock */__u32   s_journal_inum;     /* inode number of journal file */__u32 s_journal_dev;      /* device number of journal file */__u32    s_last_orphan;      /* start of list of inodes to delete */__u32    s_hash_seed[4];     /* HTREE hash seed */__u8   s_def_hash_version; /* Default hash version to use */__u8   s_reserved_char_pad;__u16   s_reserved_word_pad;__le32  s_default_mount_opts;__le32 s_first_meta_bg;    /* First metablock block group */__u32  s_reserved[190];    /* Padding to the end of the block */
};

s_magic字段存储一个魔数，该数值确认装载的文件系统确实是Ext2类型。s_minor_rev_level用于区分文件系统的不同版本。
组描述符
前面如图所示，每个块组都有一个组描述符的集合，紧随超级块之后，其中保存的信息反应了文件系统每个块组的内容，因此，不仅关系到当前块组的数据块，还与其他块组的数据块和inode块相关。用于定义单个组描述符的数据结构比超级块结构短的多。

/** Structure of a blocks group descriptor*/
struct ext2_group_desc
{__le32 bg_block_bitmap;        /* Blocks bitmap block (块位图块)*/__le32   bg_inode_bitmap;        /* Inodes bitmap block (inode位图块)*/__le32   bg_inode_table;     /* Inodes table block (inode表块)*/__le16 bg_free_blocks_count;   /* Free blocks count (空闲块数目)*/__le16    bg_free_inodes_count;   /* Free inodes count (空闲inode数目)*/__le16    bg_used_dirs_count; /* Directories count (目录数目)*/__le16 bg_pad;             __le32  bg_reserved[3];
};

inode
每个块组都包含一个inode位图和一个本地的inode表，inode表可能延续到几个块。位图的内容与本地块组相关，不会复制到文件系统中的其他位置。inode位图用于概述块组中已用和空闲的inode。

/** Structure of an inode on the disk*/
struct ext2_inode {__le16   i_mode;     /* File mode （文件模式）*/__le16   i_uid;      /* Low 16 bits of Owner Uid （所有者UID的低16位）*/__le32 i_size;     /* Size in bytes （长度，按字节计算）*/__le32    i_atime;    /* Access time （访问时间）*/__le32 i_ctime;    /* Creation time （创建时间）*/__le32   i_mtime;    /* Modification time （修改时间）*/__le32   i_dtime;    /* Deletion Time （删除时间）*/__le16   i_gid;      /* Low 16 bits of Group Id （组ID的低16位）*/__le16 i_links_count;  /* Links count （链接计数）*/__le32 i_blocks;   /* Blocks count （块数据）*/__le32 i_flags;    /* File flags （文件标志）*/union {struct {__le32  l_i_reserved1;} linux1;struct {__le32  h_i_translator;} hurd1;struct {__le32  m_i_reserved1;} masix1;} osd1;             /* OS dependent 1 */__le32  i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks 块指针*/__le32    i_generation;   /* File version (for NFS) （文件版本，用于NFS）*/__le32 i_file_acl; /* File ACL */__le32    i_dir_acl;  /* Directory ACL */__le32   i_faddr;    /* Fragment address 碎片地址*/union {struct {__u8   l_i_frag;   /* Fragment number */__u8   l_i_fsize;  /* Fragment size */__u16    i_pad1;__le16   l_i_uid_high;   /* these 2 fields    */__le16   l_i_gid_high;   /* were reserved2[0] */__u32    l_i_reserved2;} linux2;struct {__u8 h_i_frag;   /* Fragment number */__u8   h_i_fsize;  /* Fragment size */__le16   h_i_mode_high;__le16    h_i_uid_high;__le16 h_i_gid_high;__le32 h_i_author;} hurd2;struct {__u8 m_i_frag;   /* Fragment number */__u8   m_i_fsize;  /* Fragment size */__u16    m_pad1;__u32    m_i_reserved2[2];} masix2;} osd2;               /* OS dependent 2 */
};

四、目录和文件

文件系统的拓扑结构，在LINUX中，目录是一种特殊的文件，其中是inode指针和对应的文件名列表，表示了当前目录下的文件和子目录，对于EXT2文件系统，也是这样，每个目录表示为一个inode，会对其分配数据块，数据块中包含了用于描述目录项的结构。在内核源代码中目录项结构定义如下，

/** The new version of the directory entry.  Since EXT2 structures are* stored in intel byte order, and the name_len field could never be* bigger than 255 chars, it's safe to reclaim the extra byte for the* file_type field.*/
struct ext2_dir_entry_2 {__le32 inode;          /* Inode number (inode编号)*/__le16   rec_len;        /* Directory entry length */__u8    name_len;       /* Name length */__u8   file_type;char  name[];         /* File name, up to EXT2_NAME_LEN */
};

/** Ext2 directory file types.  Only the low 3 bits are used.  The* other bits are reserved for now.*/
enum {EXT2_FT_UNKNOWN       = 0,EXT2_FT_REG_FILE   = 1,EXT2_FT_DIR        = 2, //普通文件EXT2_FT_CHRDEV      = 3,//字符特殊文件和快特殊文件EXT2_FT_BLKDEV       = 4,EXT2_FT_FIFO       = 5,//命名管道EXT2_FT_SOCK     = 6,//套接字EXT2_FT_SYMLINK       = 7,EXT2_FT_MAX
};

五、EXT2文件系统操作

虚拟文件系统和具体实现之间的关联大体上由3个结构建立，结构中包含了一系列的函数指针。所有的文件系统都必须实现该关联。
1.用于操作文件内容的操作保存在file_operations中；
2.用于此类文件对象自身操作的操作保存在inode_operations中；
3.用于一般地址空间操作保存在address_space_operations中。

（1）Ext2文件系统对不同的文件类型提供了不同的file_operations实例：

/** We have mostly NULL's here: the current defaults are ok for* the ext2 filesystem.*/
const struct file_operations ext2_file_operations = {.llseek       = generic_file_llseek,.read_iter   = generic_file_read_iter,.write_iter   = generic_file_write_iter,.unlocked_ioctl = ext2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT.compat_ioctl   = ext2_compat_ioctl,
#endif.mmap     = ext2_file_mmap,.open     = dquot_file_open,.release = ext2_release_file,.fsync     = ext2_fsync,.splice_read  = generic_file_splice_read,.splice_write   = iter_file_splice_write,
};

（2）目录也有自身的file_operations实例，具体源码如下：

const struct file_operations ext2_dir_operations = {.llseek     = generic_file_llseek,.read        = generic_read_dir,.iterate    = ext2_readdir,.unlocked_ioctl = ext2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT.compat_ioctl   = ext2_compat_ioctl,
#endif.fsync        = ext2_fsync,
};

（3）目录有更多的inode操作源码如下：

const struct inode_operations ext2_dir_inode_operations = {.create      = ext2_create,.lookup      = ext2_lookup,.link        = ext2_link,.unlink        = ext2_unlink,.symlink = ext2_symlink,.mkdir      = ext2_mkdir,.rmdir        = ext2_rmdir,.mknod        = ext2_mknod,.rename       = ext2_rename,
#ifdef CONFIG_EXT2_FS_XATTR.setxattr    = generic_setxattr,.getxattr   = generic_getxattr,.listxattr  = ext2_listxattr,.removexattr  = generic_removexattr,
#endif.setattr  = ext2_setattr,.get_acl    = ext2_get_acl,.set_acl    = ext2_set_acl,.tmpfile    = ext2_tmpfile,
};

（4）文件系统和块层通过address_space_operations关联。

const struct address_space_operations ext2_aops = {.readpage        = ext2_readpage,.readpages     = ext2_readpages,.writepage        = ext2_writepage,.write_begin      = ext2_write_begin,.write_end      = ext2_write_end,.bmap         = ext2_bmap,.direct_IO     = ext2_direct_IO,.writepages       = ext2_writepages,.migratepage     = buffer_migrate_page,.is_partially_uptodate   = block_is_partially_uptodate,.error_remove_page   = generic_error_remove_page,
};

（5）此结构(super_operations)用于与超级块交互(读、写、分配inode)。

static const struct super_operations ext2_sops = {.alloc_inode  = ext2_alloc_inode,.destroy_inode  = ext2_destroy_inode,.write_inode  = ext2_write_inode,.evict_inode    = ext2_evict_inode,.put_super  = ext2_put_super,.sync_fs  = ext2_sync_fs,.freeze_fs  = ext2_freeze,.unfreeze_fs = ext2_unfreeze,.statfs        = ext2_statfs,.remount_fs  = ext2_remount,.show_options   = ext2_show_options,
#ifdef CONFIG_QUOTA.quota_read  = ext2_quota_read,.quota_write = ext2_quota_write,.get_dquots = ext2_get_dquots,
#endif
};

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