【Linux】Linux Ext2文件系统

下面以Linux的Ext2为例介绍文件系统的组成。

Ext2采用了分立式目录结构，即一个文件的目录分为目录项和索引节点两个部分。

Ext2的索引节点

在一个实际分立式目录的文件系统中，索引节点（inode）主要需要两部分内容来支持：一是inode结构；二是对于节点的操作函数。

Ext2的索引节点

Ext2的每个文件（或目录）都有唯一的i节点ext2_inode，它保存了一个文件所有与存储有关的属性。

Linux在文件include/linux/ext2_fs.h中定义的i节点结构ext2_inode如下：

struct ext2_inode {__le16    i_mode;     /* 文件模式 */__le16    i_uid;      /* 文件拥有者uid的低16位 */__le32   i_size;     /* 文件大小 */__le32    i_atime;    /* 最后访问时间 */__le32  i_ctime;    /* 创建时间 */__le32    i_mtime;    /* 修改时间 */__le32    i_dtime;    /* 删除时间 */__le16    i_gid;      /* 块组id的低16位 */__le16   i_links_count;  /* 链接计数，即文件别名的数目 */__le32    i_blocks;   /* 文件占用的存储块数 */__le32   i_flags;    /* 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];/* 文件索引表 */__le32    i_generation;   /* File version (for NFS) */__le32  i_file_acl; /* File ACL */__le32    i_dir_acl;  /* Directory ACL */__le32   i_faddr;    /* 碎片地址 */union {struct {__u8   l_i_frag;   /* 碎片数目 */__u8  l_i_fsize;  /* 碎片大小 */__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;   /* 碎片数目 */__u8  h_i_fsize;  /* 碎片大小 */__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;   /* 碎片数目 */__u8  m_i_fsize;  /* 碎片大小 */__u16 m_pad1;__u32    m_i_reserved2[2];} masix2;} osd2;               /* 与操作系统相关的数据 */
};

其中，最重要的成员i_mode和指针i_block[]。i_mode指定文件类型；而指针数组i_block[]则是文件索引表。

i_block[]指针数组的示意图如下：

i_block[]共有15项，其中前12项为直接指向文件数据块的指针，后3项分别为采用多级索引结构的“一次间接指针”、“二次间接指针”和“三次间接指针”。其作用与内存管理中的多级页表类似，便于大型文件的存储处理。

也就是说：如果文件比较小，其数据块少于12个，其数据块索引就放在i_block[]的前12项中，如果文件比较大，超过12个数据块就需要分配间接块来保存数据块索引。

Ext2的i节点操作函数

为了对Ext2的i节点进行操作，系统还定义了Ext2文件i节点的操作函数集：

struct inode_operations ext2_file_inode_operations = {.truncate = ext2_truncate,
#ifdef CONFIG_EXT2_FS_XATTR.setxattr = generic_setxattr,.getxattr = generic_getxattr,.listxattr = ext2_listxattr,.removexattr = generic_removexattr,
#endif.setattr = ext2_setattr,.permission = ext2_permission,
};

可以看到，这里操作集中没有熟悉的文件操作函数，这是因为这都是对磁盘文件的底层操作，文件还要再经一层乃至多层的封装才能变成我们所熟悉的函数。

Ext2的目录文件实质上是一个目录项列表，其中每一项都是一个ext2_dir_entry_2结构的数据。它所包含的主要信息：

目录项中文件名所对应的文件i节点号；
文件类型；
文件名称。

在文件include/linux/ext2_fs.h中定义的目录项结构ext2_dir_entry_2如下：

struct ext2_dir_entry_2 {__le32  inode;          /* 文件的i节点号 */__le16 rec_len;        /* 目录项的长度 */__u8    name_len;       /* 文件名的长度 */__u8    file_type;        //文件类型char    name[EXT2_NAME_LEN];    /* 文件名 */
};

结构中的域file_type描述文件类型。不同文件类型的取值用枚举定义如下：

enum {EXT2_FT_UNKNOWN,EXT2_FT_REG_FILE,            //普通文件EXT2_FT_DIR,                 //目录EXT2_FT_CHRDEV,              //字符设备文件EXT2_FT_BLKDEV,              //块设备文件EXT2_FT_FIFO,                //管道文件EXT2_FT_SOCK,                //Sock文件EXT2_FT_SYMLINK,EXT2_FT_MAX
};

按照通常的概念，目录文件应该是ext2_dir_entry_2类型的数组，但Ext2没有这样做。为了用户方便，结构ext2_dir_entry_2中的文件名是一个可以根据文件名的长度变化的数组，这种做法就使得各个目录项的长度并不相等，从而难以用数组来组成目录文件。所以Ext2的目录文件采用一个比较特殊的链表结构，如下图：

在这种结构中，目录项是连续存放的，而目录项的连接则通过结构ext2_dir_entry_2中的域rec_len来实现的，即程序通过rec_len作为偏移量来查找下一个目录项。

每个目录文件中的前两项为代表目录自身的“.”和代表其上一级目录（父目录）的“..”。

每当用户需要打开一个文件需要打开一个文件时，首先要指定待打开文件的路径和名称，文件系统会根据路径和名称搜索对应的目录项；然后用该目录项中的i节点号找到该文件的i节点；最后通过访问i节点结构中的i_block[]数据块来访问文件。

目录项、索引节点与文件数据块之间的关系如下所示：

Ext2在磁盘上的存储结构

Ext2文件系统把它所占用的磁盘空间分成若干个块组，如下所示：

每个块组的内部结构如下图所示：

每个块组中都有一个内容完全相同的块——超级块，这个块保存着Ext2整个文件系统的信息。在超级块的后面，依次排序有：用来描述本块组信息的块组描述符表、用来表示本组内存储块使用情况的存储块管理位图、用来记录本块组所有i节点被占用情况的i节点管理位图、本块组的i节点表以及用来存储各种文件的数据块五个部分。

Ext2的超级块

像一本书需要一个前言一样，文件系统也需要有个类似的说明部分，但它说明的是文件系统基本信息，目的是使文件系统的使用者（操作系统）可以了解文件系统的结构、类型等，这个说明部分叫做文件系统的超级块。不同的文件系统具有不同的超级块。系统管理员及系统可以利用超级块中的信息来对文件系统进行维护。

照理说，每个文件系统只要有一个超级块就够了，但Ext2为了保险起见，在每一个块组中都配置了一个超级块。在正常情况下，Ext2只使用第一个块组（块组0）中的超级块，而其他块组中的超级块只是一个备份。

在文件include/linux/ext2_fs.h中定义的超级块数据结构ext2_super_block如下：

struct ext2_super_block {__le32  s_inodes_count;     /* 文件系统中节点的总数 */__le32  s_blocks_count;     /* 文件系统中块的总数 */__le32   s_r_blocks_count;   /* 超级用户保留块的数目 */__le32  s_free_blocks_count;    /* 空闲块的总数目 */__le32 s_free_inodes_count;    /* 空闲索引节点总数 */__le32    s_first_data_block; /* 第一个数据块 */__le32  s_log_block_size;   /* Block size */__le32  s_log_frag_size;    /* Fragment size */__le32   s_blocks_per_group; /* 每个块组中的块数 */__le32    s_frags_per_group;  /* 每组中的片数 */__le32  s_inodes_per_group; /* 每组中的节点数 */__le32 s_mtime;        /* 文件系统的安装时间 */__le32   s_wtime;        /* 对超级块写操作的左后时间 */__le16    s_mnt_count;        /* 文件系统的安装计数 */__le16   s_max_mnt_count;    /* 文件系统的最大安装数 */__le16  s_magic;        /* 幻数 */__le16  s_state;        /* 文件系统的状态 */__le16 s_errors;       /* Behaviour when detecting errors */__le16 s_minor_rev_level;  /* minor revision level */__le32    s_lastcheck;        /* time of last check */__le32  s_checkinterval;    /* max. time between checks */__le32    s_creator_os;       /* OS */__le32  s_rev_level;        /* Revision level */__le16  s_def_resuid;       /* Default uid for reserved blocks */__le16 s_def_resgid;       /* Default gid for reserved blocks */__le32 s_first_ino;        /* First non-reserved inode */__le16   s_inode_size;        /* size of inode structure */__le16 s_block_group_nr;   /* 本超级块所在的块组号 */__le32  s_feature_compat;   /* compatible feature set */__le32  s_feature_incompat;     /* incompatible feature set */__le32    s_feature_ro_compat;    /* readonly-compatible feature set */__u8   s_uuid[16];     /* 卷的128位uuid */char    s_volume_name[16];  /* 卷名 */char    s_last_mounted[64];     /* directory where last mounted */__le32    s_algorithm_usage_bitmap; /* For compression */__u8 s_prealloc_blocks;  /* Nr of blocks to try to preallocate*/__u8 s_prealloc_dir_blocks;  /* Nr to preallocate for dirs */__u16   s_padding1;__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 */
};

由上述定义中可知，Ext2中的超级块中主要具有如下一些内容：

幻数。文件系统的一个标识，在安装文件系统时用于确认Ext2文件系统；
文件系统的版本号；
文件系统安装计数；
超级块所在的块组号；
数据块的大小；
块组中数据块的数目；
文件系统中空闲块的数目；
文件系统中空闲索引节点的数目；
文件系统中第一个索引节点的号码。

在Ext2文件系统中，第一个索引节点时根目录的入口。

块组描述符表

Ext2的一个块组可以看做文件系统空间的一个分区，与超级块的用途类似，为了向使用者提供块组的相关组织信息，每个块组有一个块组描述符表，其中主要提供块组的位图存放位置和i节点位图存放位置等信息。

Linux在文件include/linux/ext2_fs.h中定义的块组描述符表结构ext2_group_desc如下：

struct ext2_group_desc
{__le32 bg_block_bitmap;        /* 指向块组的块位图的指针 */__le32 bg_inode_bitmap;        /* 指向i节点位图的指针 */__le32  bg_inode_table;     /* i节点表的首地址 */__le16    bg_free_blocks_count;   /* 本组块空闲块的数目 */__le16   bg_free_inodes_count;   /* 本组块空闲i节点的数目 */__le16 bg_used_dirs_count; /* 本组块分配给目录文件的i节点数目 */__le16    bg_pad;__le32   bg_reserved[3];
};

块组的块位图

Ext2文件系统用位图来记录块组中数据块的使用情况。数据块位图中的每一位表示该块组中每一个块的使用情况，如果为1，则表示该对应块已经被分配占用；如果为0，则表示该位还未被分配，是空闲块。

块组的i节点位图

Ext2文件系统用位图来记录块组中i节点使用情况。i节点位图中的每一位表示该块组中每一个i节点的使用情况，如果为1，则表示该结点已被分配占用；如果为0，则表示结点还未被分配，是空闲节点。

块组的i节点表

顾名思义，i节点表就是存放文件i节点的表格。每个块组中所有i节点都按i节点号的顺序存储在i节点表中。i节点表通常需要占用若干个数据块。

Ext2文件的用户操作函数集

作为一个为用户服务的文件系统，Ext2位用户提供的文件操作函数集如下：

const struct file_operations ext2_file_operations = {.llseek        = generic_file_llseek,.read        = do_sync_read,.write      = do_sync_write,.aio_read  = generic_file_aio_read,.aio_write = generic_file_aio_write,.unlocked_ioctl = ext2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT.compat_ioctl   = ext2_compat_ioctl,
#endif.mmap     = generic_file_mmap,.open      = generic_file_open,.release   = ext2_release_file,.fsync     = ext2_sync_file,.splice_read  = generic_file_splice_read,.splice_write   = generic_file_splice_write,
};