Ext4文件系统架构分析(二)

接着上一篇博文，继续分析Ext4磁盘布局中的元数据。

1.7 超级块

超级块记录整个文件系统的大量信息，如数据块个数、inode个数、支持的特性、管理信息，等待。

如果设置sparse_super特性标志，超级块和块组描述符表的冗余备份仅存放在编号为0或3、5、7的幂次方的块组中。如果未设置sparse_super特性标志，冗余备份存在与所有的块组中。以下是2.6.32.18内核中对Ext4超级块的描述：

3.0的内核中，Ext4的超级块加入了以下相关元数据：快照、文件系统错误处理相关、挂载选项、配额文件inode、超级块校验和等，见下图。目前没有深入研究这些新的元数据。

1.8 块组描述符

一个块组中，具有固定位置的数据结构是超级块和块组描述符。其他数据结构位置都可以不固定。Flex_bg机制使用这个性质将几个块组聚合成一个flex块组，将flex_bg中所有位图和inode 表放到flex_bg的第一个块组中。详细情况可以参考我的上一篇Ext4分析博文的Flexible 块组（flex_bg）部分。

      如果设置了meta_bg特性标志，几个块组结合成一个meta group。在meta_bg的情况下，在meta group中的第一个和最后两个块组中仅包含meta group中的块组的块组描述符。Flex_bg和Meta_bg互斥因而不能共同出现。

1.9 数据块位图与inode位图

数据块位图跟踪块组中数据块使用情况。Inode位图跟踪块组中Inode使用情况。每个位图一个数据块，每一位用0或1表示一个块组中数据块或inode表中inode的使用情况。如果一个数据块大小是4KB的话，那一个位图块可以表示4*1024*8个数据块的使用情况，这也是单个块组具有的最大数据块个数。这样可以算出一个块组大小是128MB。当然一个位图块也可以表示4*1024*8个inode的使用情况，但是实际上一个块组中即使存满了文件，也不会用到这么多的inode，因为实际系统中基本不会出现所有文件大小都小于等于1个数据块大小的情况。实际上一个块组中有多少个inode，在块组描述符中是确定的，在文件系统格式化过程中也会看到这个数值，如果没记错的话，大概是每4个还是8个数据块分配一个inode空间。

1.10 Inode表

为了找到与一个文件相关的信息，必须遍历目录文件找到与文件相关的目录项，然后加载inode找到该文件的元数据。Ext4在目录项中用一位存储了文件类型(通常存储在inode中)的拷贝，这对性能提升有益。Inode表的大小为ext4_super_block.s_inode_size * ext4_super_block.s_inodes_per_group Bytes。 

     
 Ext4的inode的数据结构大小为156 bytes，但是Ext4的标准inode的大小是256 bytes。

1.11 查找inode

每个块组包含ext4_super_block.s_inodes_per_group个inodes。因为0号inode不存在，可以通过如下的算式计算inode所在的块组：

bg=(inode_num -1)/ ext4_super_block.s_inodes_per_group

inode在块组中inode表中的索引index可以通过如下的算式计算：

index=(inode_num -1) % ext4_super_block.s_inodes_per_group

inode在inode表中的地址偏移为：

offset=index * ext4_super_block.s_inode _size

1.12 inode.i_block0[]s的内容

取决于文件类型，inode.i_blocks[]使用的方式不同。一般来说，常规文件和目录用inode.i_blocks[]作为文件数据块索引信息，特殊文件将inode.i_blocks[]用于特殊用途。常规文件用inode.i_blocks[]作为文件数据块索引信息的三级索引结构会在后面直接、间接块地址中详细介绍。

1.13  符号链接

如果符号链接的目标字符串长度小于60字节，那么就将其存储在inode.i_blocks[]中，inode中inode.i_blocks[]占据的大小刚好是60KB。这里要注意到的是，有些文件其内容是跟文件的元数据放在一起的，因而就没有了数据块。也就是说不是每个文件数据都必然占据着一个数据块。

1.14 直接/间接块地址

Ext2/Ext3中数据块映射方式如下表

1.15   Extent 树

Ext4中用extent树代替了逻辑块映射。使用extents，用一个struct ext4_extent结构就可以映射多个数据块，减少元数据块的使用。如果设置了flex_bg，甚至可以用一个extent分配一个非常大的文件。使用extent特性，inode必须设置extents flag。

Extents以树的方式安排。Extent树的每个节点都以一个ext4_extent_header开头，如果节点是内部节点(ext4_extent_header.eh_depth>0)，ext4_extent_header后面紧跟的是ext4_extent_header .eh_entries个索引项struct ext4_extent_idx，每个索引项指向该extent树中一个包含更多的节点的数据块。如果节点是叶子节点(ext4_extent_header.eh_depth==0)，ext4_extent_header后面紧跟的是ext4_extent_header .eh_entries个struct ext4_extent数据结构。这些ext4_extent结构指向文件数据块。Extent树的根结点存储在inode.i_blocks中，可以存储文件的前4个extents而不需额外的元数据块。

ext4_extent_header：

struct ext4_extent_idx：extent树的内部节点，也称为索引节点。

ext4_extent：extent树的叶子节点。

1.16 Extent树数据块校验和：可能加入的新元数据

由于extent树的根在inode中，因而Extent树数据块指extent树的除根据节点外的所有内部节点和叶子节点。Extent的树根节点和叶子节点的数据块中存储完xt4_extent_idx和xt4_extent数据结构后至少会留下4 ((2^x%12)>=4) bytes的空间。因而可以加入一个结构struct ext4_extent_tail，其中存储32位的校验和。位于inode中的4个extents无需校验和，因为inode已经做了校验和。

1.17 目录项

Ext4文件系统中，一个目录差不多是一个平面文件，映射任意长度的字符串到文件系统中的一个inode。文件系统中存在多个目录项引用同一个inode——硬链接，这也是硬链接不能链接其他文件系统中的文件的原因。

1.18 线性（经典）目录

缺省地，目录文件中包含一个线性的目录项数组。未使用的目录项标记为inode =0。Ext4文件系统默认地使用struct ext4_dir_entry_2记录目录项，除非没有设置filetype特性标志。在没有设置filetype特性标志的情况下，使用struct ext4_dir_entry记录目录项。