姓名：鄺念君
學號：14020150024
【嵌牛導讀】：EXT3，EXT4，BTRFS和XFS是現(xiàn)在最常見的四個Linux文件系統(tǒng)。為了便于理解，本文以相對簡單的EXT2為切入點，介紹其原理。便不難理解Linux文件系統(tǒng)。
【嵌牛鼻子】：文件系統(tǒng)、 分區(qū)、描述表、尋址方式?
【嵌牛正文】：
1、ext2文件系統(tǒng)
我們知道，一個磁盤可以劃分成多個分區(qū)，每個分區(qū)必須先用格式化工具（例如某種mkfs命令）格式化成某種格式的文件系統(tǒng)，然后才能存儲文件，格式化的過程會在磁盤上寫一些管理存儲布局的信息。下圖是一個磁盤分區(qū)格式化成ext2文件系統(tǒng)后的存儲布局。
文件系統(tǒng)中存儲的最小單位是塊（Block），一個塊究竟多大是在格式化時確定的，例如mke2fs的-b選項可以設定塊大小為1024、2048或4096字節(jié)。而上圖中啟動（BootBlock）的大小是確定的，就是1KB，啟動塊是由PC標準規(guī)定的，用來存儲磁盤分區(qū)信息和啟動信息，任何文件系統(tǒng)都不能使用啟動塊。啟動塊之后才是ext2文件系統(tǒng)的開始，ext2文件系統(tǒng)將整個分區(qū)劃成若干個同樣大小的塊組（Block?Group），每個塊組都由以下部分組成。
超級塊（Super?Block）描述整個分區(qū)的文件系統(tǒng)信息，例如塊大小、文件系統(tǒng)版本號、上次mount的時間等等。超級塊在每個塊組的開頭都有一份拷貝。
塊組描述符表（GDT，Group?Descriptor?Table）由很多塊組描述符組成，整個分區(qū)分成多少個塊組就對應有多少個塊組描述符。每個塊組描述符（Group?Descriptor）存儲一個塊組的描述信息，例如在這個塊組中從哪里開始是inode表，從哪里開始是數(shù)據塊，空閑的inode和數(shù)據塊還有多少個等等。和超級塊類似，塊組描述符表在每個塊組的開頭也都有一份拷貝，這些信息是非常重要的，一旦超級塊意外損壞就會丟失整個分區(qū)的數(shù)據，一旦塊組描述符意外損壞就會丟失整個塊組的數(shù)據，因此它們都有多份拷貝。通常內核只用到第0個塊組中的拷貝，當執(zhí)行e2fsck檢查文件系統(tǒng)一致性時，第0個塊組中的超級塊和塊組描述符表就會拷貝到其它塊組，這樣當?shù)?個塊組的開頭意外損壞時就可以用其它拷貝來恢復，從而減少損失。
塊位圖（Block?Bitmap）一個塊組中的塊是這樣利用的：數(shù)據塊存儲所有文件的數(shù)據，比如某個分區(qū)的塊大小是1024字節(jié)，某個文件是2049字節(jié)，那么就需要三個數(shù)據塊來存，即使第三個塊只存了一個字節(jié)也需要占用一個整塊；超級塊、塊組描述符表、塊位圖、inode位圖、inode表這幾部分存儲該塊組的描述信息。那么如何知道哪些塊已經用來存儲文件數(shù)據或其它描述信息，哪些塊仍然空閑可用呢？塊位圖就是用來描述整個塊組中哪些塊已用哪些塊空閑的，它本身占一個塊，其中的每個bit代表本塊組中的一個塊，這個bit為1表示該塊已用，這個bit為0表示該塊空閑可用。
????????為什么用df命令統(tǒng)計整個磁盤的已用空間非?？炷?？因為只需要查看每個塊組的塊位圖即可，而不需要搜遍整個分區(qū)。相反，用du命令查看一個較大目錄的已用空間就非常慢，因為不可避免地要搜遍整個目錄的所有文件。
????????與此相聯(lián)系的另一個問題是：在格式化一個分區(qū)時究竟會劃出多少個塊組呢？主要的限制在于塊位圖本身必須只占一個塊。用mke2fs格式化時默認塊大小是1024字節(jié)，可以用-b參數(shù)指定塊大小，現(xiàn)在設塊大小指定為b字節(jié)，那么一個塊可以有8b個bit，這樣大小的一個塊位圖就可以表示8b個塊的占用情況，因此一個塊組最多可以有8b個塊，如果整個分區(qū)有s個塊，那么就可以有s/(8b)個塊組。格式化時可以用-g參數(shù)指定一個塊組有多少個塊，但是通常不需要手動指定，mke2fs工具會計算出最優(yōu)的數(shù)值。
inode位圖（inode?Bitmap）和塊位圖類似，本身占一個塊，其中每個bit表示一個inode是否空閑可用。
inode表（inode?Table）我們知道，一個文件除了數(shù)據需要存儲之外，一些描述信息也需要存儲，例如文件類型（常規(guī)、目錄、符號鏈接等），權限，文件大小，創(chuàng)建/修改/訪問時間等，也就是ls?-l命令看到的那些信息，這些信息存在inode中而不是數(shù)據塊中。每個文件都有一個inode，一個塊組中的所有inode組成了inode表。inode表占多少個塊在格式化時就要決定并寫入塊組描述符中，mke2fs格式化工具的默認策略是一個塊組有多少個8KB就分配多少個inode。由于數(shù)據塊占了整個塊組的絕大部分，也可以近似認為數(shù)據塊有多少個8KB就分配多少個inode，換句話說，如果平均每個文件的大小是8KB，當分區(qū)存滿的時候inode表會得到比較充分的利用，數(shù)據塊也不浪費。如果這個分區(qū)存的都是很大的文件（比如電影），則數(shù)據塊用完的時候inode會有一些浪費，如果這個分區(qū)存的都是很小的文件（比如源代碼），則有可能數(shù)據塊還沒用完inode就已經用完了，數(shù)據塊可能有很大的浪費。如果用戶在格式化時能夠對這個分區(qū)以后要存儲的文件大小做一個預測，也可以用mke2fs的-i參數(shù)手動指定每多少個字節(jié)分配一個inode。
數(shù)據塊（Data?Block）根據不同的文件類型有以下幾種情況
（1）對于常規(guī)文件，文件的數(shù)據存儲在數(shù)據塊中。
（2）對于目錄，該目錄下的所有文件名和目錄名存儲在數(shù)據塊中，注意文件名保存在它所在目錄的數(shù)據塊中，除文件名之外，ls?-l命令看到的其它信息都保存在該文件的inode中。注意這個概念：目錄也是一種文件，是一種特殊類型的文件。
（3）對于符號鏈接，如果目標路徑名較短則直接保存在inode中以便更快地查找，如果目標路徑名較長則分配一個數(shù)據塊來保存。
（4）設備文件、FIFO和socket等特殊文件沒有數(shù)據塊，設備文件的主設備號和次設備號保存在inode中。
2、數(shù)據塊尋址
????????從上圖可以看出，索引項Blocks[13]指向兩級的間接尋址塊，最多可表示(b/4)2+b/4+12個數(shù)據塊，對于1K的塊大小最大可表示64.26MB的文件。索引項Blocks[14]指向三級的間接尋址塊，最多可表示(b/4)3+(b/4)2+b/4+12個數(shù)據塊，對于1K的塊大小最大可表示16.06GB的文件。
????????可見，這種尋址方式對于訪問不超過12個數(shù)據塊的小文件是非?？斓模L問文件中的任意數(shù)據只需要兩次讀盤操作，一次讀inode（也就是讀索引項）一次讀數(shù)據塊。而訪問大文件中的數(shù)據則需要最多五次讀盤操作：inode、一級間接尋址塊、二級間接尋址塊、三級間接尋址塊、數(shù)據塊。實際上，磁盤中的inode和數(shù)據塊往往已經被內核緩存了，讀大文件的效率也不會太低。
