Linux Ext文件系统

1 Ext2文件系统

1.1 概述

文件系统中存储的最小单位是块（Block），一个块究竟多大是在格式化时确定的，使用 tune2fs 命令可以查看块大小。

注：我这里演示使用的是ext3，但是没有影响。

[root@VM_120_243_centos 1]# cat /etc/fstab 
/dev/vda1            /                    ext3       noatime,acl,user_xattr 1 1
proc                 /proc                proc       defaults              0 0
sysfs                /sys                 sysfs      noauto                0 0
debugfs              /sys/kernel/debug    debugfs    noauto                0 0
devpts               /dev/pts             devpts     mode=0620,gid=5       0 0
/swapfile    swap    swap    defaults    0 0

[root@VM_120_243_centos 1]# tune2fs -l /dev/vda1 | grep Block
Block count:              13106944
Block size:               4096
Blocks per group:         32768

一个分区的开头必须有1k的boot block，任何文件系统不能使用这块内容，用来存储磁盘分区信息和启动信息。启动块之后才是文件系统。

ext2文件系统将整个分区划成若干个同样大小的块组（Block Group），如下图所示：

1.2 详细描述

1. 超级块（Super Block）

描述整个分区的文件系统信息，例如块大小、文件系统版本号、上次mount的时间等等。

由于super block很重要 ，在每个block group都会存一份进行备份。

2. 块组描述符表（GDT，Group Descriptor Table）

由很多块组描述符组成，整个分区分成多少个块组就对应有多少个块组描述符。

每个块组描述符（Group Descriptor）存储一个块组的描述信息，例如在这个块组中从哪里开始是inode表，从哪里开始是数据块，空闲的inode和数据块还有多少个等等。

和超级块类似，块组描述符表在每个块组的开头也都有一份拷贝，这些信息是非常重要的。超级块意外损坏就会导致丢失整个分区的数据，块组描述符意外损坏就会导致丢失整个块组的数据。

通常内核只用到第0个块组中的拷贝，当执行e2fsck检查文件系统一致性时，第0个块组中的超级块和块组描述符表就会拷贝到其它块组，这样当第0个块组的开头意外损坏时就可以用其它拷贝来恢复，从而减少损失。

3. 块位图（Block Bitmap）

数据块存储所有文件的数据，比如某个分区的块大小是 1024字节，某个文件是 2049字节，那么就需要三个数据块来存，即使第三个块只存了一个字节也需要占用一个整块。超级块、块组描述符表、块位图、 inode位图、 inode表这几部分存储该块组的描述信息。

那么如何知道哪些块已经用来存储文件数据或其它描述信息，哪些块仍然空闲可用呢？块位图就是用来描述整个块组中哪些块已用哪些块空闲的。

它本身占一个块，其中的每 bit代表本块组中的一个块，这个 bit为 1表示该块已用，这个 bit为 0表示该块空闲可用。

4. inode位图（inode Bitmap）

和块位图类似，本身占一个块，其中每个 bit表示一个 inode是否空闲可用。

5. inode表（inode Table）

我们知道，一个文件除了数据需要存储之外，一些描述信息也需要存储，例如文件类型、权限、文件大小、创建 /修改 /访问时间等，这些信息存在 inode中而不是数据块中。每个文件都有一个inode，一个块组中的所有 inode 组成了inode表 。

6. 数据块（Data Block）

根据不同的文件类型有以下几种情况：

• 常规文件，文件的数据存储在数据块中。

• 目录，该目录下的所有文件名和目录名存储在数据块中，其它信息都保存在该文件的inode中。注意：目录是一种特殊类型的文件。

• 对于符号链接，如果目标路径名较短则直接保存在 inode中以便更快地查找，如果目标路径名较长则分配一个数据块来保存。

• 设备文件、FIFO和socket 等特殊文件没有数据块，即文件大小为0；设备文件的主设备号和次设备号保存在 inode中。

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2 Ext3文件系统

众所周知，Linux通过唯一数值（索引节点号）来标识每个文件。当文件系统每次存储或更新文件，它都要用新信息来更新索引节点表。

如果系统在存储文件和更新索引节点表之间发生了故障。即使文件数据正常保存到了物理设备上，如果索引节点表记录没有完成更新的话，ext2文件系统将无法找到那个文件。

为了解决这个问题，引入了ext3文件系统。它和 ext2 文件系统具有相同的索引节点表结构，其差别是 ext3 文件系统在硬盘上多出了一个特殊的 inode，用来记录文件系统的日志（journal）。

在存储或更新文件时先将文件的更改写入到日志中，在数据成功写到存储设备和索引节点表后，再删除对应的日志条目。如果系统在数据被写入存储设备之前崩溃或断电了，日志文件系统下次会读取日志文件并处理上次留下的未写入的数据。

虽然ext3文件系统为Linux添加了基本的日志功能，但它仍缺少一些功能。例如ext3文件系统无法删除误删的文件，它没有任何内建的数据压缩功能，也不支持加密文件。

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3 Ext4文件系统

ext4文件系统在2008年收到了Linux内核官方的支持，除了支持数据的压缩和解密，ext4还支持一个称作区段（extent）的特性。

区段在存储设备上按块分配空间，但在索引节点表中只保存起始块的位置。

ext4还引入了块预分配技术（block preallocation）。如果你想在存储设备上给一个你知道要变大的文件预留空间，ext4文件系统可以为文件分配所有需要用到的块，而不仅仅是你现在用到的块。它会用0来填满这些块，不会将它们分配给其他文件。