ext2磁盘布局

概述

        从这篇博客开始，我们主要研究linux下ext2文件系统的设计和实现，我们的主要是目标是对ext2关键技术进行剖析，当然，ext2的年代比较久远了，可能研究它也不见得有多大的参考价值，但是，我的目标是将文件系统做成一个系列，ext2只是一个引子，后续会有ext3，ext4，reiserfs，btrfs，xfs等等，敬请期待。

        本篇博客主要关注ext2文件系统的磁盘布局，即ext2会在格式化时将磁盘划分成什么样子。

ext2磁盘布局

        任何Ext2分区中的第一个块从不受Ext2文件系统的管理，因为这一块是为分区的引导扇区所保留的。Ext2分区的其余部分被分割成块组（block group），每个块组的分布图如下图1所示。正如你从图中所看到的，一些数据结构正好可以放在一块中，而另一些可能需要更多的块。在Ext2文件系统中的所有块组大小相同并被顺序存放，因此，内核可以从块组的整数索引很容易地得到磁盘中一个块组的位置。

图1 ext2 磁盘布局

由于内核尽可能地把属于同一个文件的数据块存放在同一块组中，所以块组可有效地提高文件连续性。每个块组均包含如下方面的信息：

文件系统超级块的拷贝；

文件系统所有块组描述符；

块组数据块位图；

inode表位图；

inode表；

块组内的数据块。

        事实上，只有块组0中所包含超级块和组描述符才由内核使用，而其余的超级块和组描述符都保持不变，内核甚至不考虑它们。当e2fsck程序对Ext2文件系统的状态执行一致性检查时，就引用存放在块组0中的超级块和组描述符，然后将它们拷贝到其他所有的块组中。如果出现数据损坏，并且块组0中的主超级块和主描述符变为无效，那么，系统管理员就可以命令e2fsck引用存放在某个块组（除了第一个块组）中的超级块和组描述符的旧拷贝。通常情况下，这些多余的拷贝所存放的信息足以让e2fsck把Ext2分区带回到一个一致的状态。

        那么每个ext2文件系统到底有多少块组呢？这取决于分区的大小和块的大小。其主要限制在于块位图，块位图用来标识一个块组中块的占用和空闲状况，而且ext2块位图只占据一个单独的数据块。所以，每组中至多可包含8×b个块，b是以字节为单位的块大小。例如，一个块大小是 1024 Byte，那么，一个块的位图就有8192个位，正好就对应8192个块。因此，块组的总数大约是c/8×b，这里c是指分区所包含的总块组数。

        举例说明，让我们考虑一下32GB的Ext2分区，换算成KB就是33554432，假定块大小为4KB。在这种情况下，每个4KB的块位图描述32KB个数据块，即128MB。因此，最多需要33554432 / 4096 * 32 = 256个块组。显然，块越大，块组数越小。

        inode表用于存储块组内文件的inode信息，而且只存储该块组内存储文件的inode，我们知道inode是一个文件元数据的全部，是文件身份的象征，没有inode，文件在磁盘上就是不可见的。ext2文件系统格式化时，块组内的inode表空间也一并分配好，也就意味着该块组内能存储多少个文件是确定的，那么这个值是如何确定的呢，依稀记得mkfs.ext2在格式化时，会将块组存储文件的平均大小设定为16KB，这样，知道了块组大小和文件平均大小就可以计算块组内存储文件数量了。

        inode位图用来管理块组内空闲inode分配情况。

        数据块用来存储块组内的文件数据，使用位图方式管理空闲数据块。

        至此，我们已经大概了解了ext2文件系统的磁盘布局，ext2这种布局方式是源自FFS的设计思想：尽量将文件的数据元数据连续存放，同时尽量将相关文件连续存放，所谓的相关文件诸如相同目录下的所有文件，ext2的块组思想就是连续的最好体现，关于ext2的文件创建和数据块分配后续还会仔细研究。