Linux文件系统--基于EXT2

一、文件系统基本知识

① 存储在永久性存储介质，由程序按照某种格式制作的数据集合叫做文件

② 磁盘上管理文件的文件、数据结构和操作构成磁盘文件系统，简称文件系统

③ 文件属性

（1）名称

（2）位置

（3）大小

（4）类型

（5）保护

（6）时间、日期

（7）用户标识

④ 进程要通过操作系统来访问磁盘上的文件，也就是说，操作系统是进程与磁盘文件系统之间的中介

⑤ 用户对文件的操作

（1）创建文件

（2）写文件

（3）读文件

（4）删除文件

⑥ 操作系统的文件管理系统必须提供两项基本功能：

（1）一是要建立专门用于文件管理的目录体系

（2）二是要为用户提供对文件进行操作的系统调用

⑦ 文件的简单存储方式

（1）经过适当的软件处理，磁盘可以看成由若干大小相等的存储块（512Byte）所组成的一个线性空间

（2）通常一个文件需要占用多个存储块

（3）磁盘文件系统需要一个目录表来记录文件名称、储存位置等信息，并把这种记录兼做目录项，这个目录表叫做目录文件

⑧ 存储块的组织方式

（1）链接组织方式：

（2）索引组织方式：为每个文件创建一个长度与文件所占用存储块的数目相等的数，以文件块的逻辑顺序号为数组元素的下标，而以文件存储块的指针为元素的内容，于是就形成了一个文件索引表。

注：简单来说，索引表就是文件块的逻辑块号与存储块号的对照表

⑨ 空闲块的记录

（1）未被文件占用，或者被已删除文件释放出来的块叫做外存的空闲块

（2）操作系统用来记录跟踪空闲块的数据结构主要有位图、链表、分组链表等

⑩ 文件目录

（1）一体化文件目录：

（2）分立式文件目录：分立式目录中，目录被分成两部分：一部分只记录文件的文件名等用户关心的逻辑信息；一部分只记录文件所占用的存储块数目、位置等物理信息。前者叫　　做逻辑目录，简称目录；后者叫做索引节点，简称i节点（inode）

注：由于i节点与文件唯一对应，所以i节点也叫作文件控制块（FCB）

（3）用于集中记录i节点的文件叫做设备文件，而集中记录逻辑目录的文件叫做逻辑目录文件

注：硬链接是两个文件指向同一个i节点

⑪ 磁盘上的文件系统

（1）引导控制块：存储引导操作系统所需要的信息

（2）主分区：存储操作系统内核映像文件

（3）分区控制块（Super Block）：数据分区的第一块为分区控制块，该块中含有本分区所包含的块数、块的大小、空闲块的数量及位置、文件控制块的数量及位置等详细信息，也　　叫作超级块或主控文件集

（4）目录文件：位于分区控制块之后，存放分区内文件的目录文件

（5）文件控制块（FCB）：通常处于文件数据块之前，内含文件的逻辑及物理信息

注：文件控制块也叫作索引节点（inode）

二、Ext2文件系统

① 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

② 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

（1）Ext2的索引节点：Ext2的每个文件（或目录）都有一个唯一的i节点ext2_inode，它保存了一个文件所有与存储相关的属性

struct ext2_inode {
    __le16    i_mode;        /* File mode */
    __le16    i_uid;        /* Low 16 bits of Owner Uid */
    __le32    i_size;        /* Size in bytes */
    __le32    i_atime;    /* Access time */
    __le32    i_ctime;    /* Creation time */
    __le32    i_mtime;    /* Modification time */
    __le32    i_dtime;    /* Deletion Time */
    __le16    i_gid;        /* Low 16 bits of Group Id */
    __le16    i_links_count;    /* Links count */
    __le32    i_blocks;    /* Blocks count */
    __le32    i_flags;    /* File flags */
　　...
    __le32    i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
    __le32    i_generation;    /* File version (for NFS) */
    __le32    i_file_acl;    /* File ACL */
    __le32    i_dir_acl;    /* Directory ACL */
    __le32    i_faddr;    /* Fragment address */
    ...
};

　　* i_mode：指定文件的类型（普通文件、目录文件、设备文件和网络文件）

　　* i_block[]：文件索引表。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”

（2）Ext2的i节点操作函数

const 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,
    .fiemap        = ext2_fiemap,
};

③ Ext2的目录文件及目录项

（1）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

struct ext2_dir_entry_2 {
    __le32    inode;            /* Inode number */
    __le16    rec_len;        /* Directory entry length */
    __u8    name_len;        /* Name length */
    __u8    file_type;
    char    name[EXT2_NAME_LEN];    /* File name */
};

（2）Ext2的目录文件采用了一个特殊的链表结构进行存储：（程序通过rec_len作为偏移量来查找下一个目录项）

（3）每当用户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，文件系统根据路径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[]数据块成员来访问文件

④ Ext2在磁盘上的存储结构：Ext2文件系统把所占用的磁盘空间分成若干个块组，每个块组的内部结构如下图

（1）超级块：保存着整个文件系统的信息

struct ext2_super_block {
    __le32    s_inodes_count;        /* Inodes count */
    __le32    s_blocks_count;        /* Blocks count */
    __le32    s_r_blocks_count;    /* Reserved blocks count */
    __le32    s_free_blocks_count;    /* Free blocks count */
    __le32    s_free_inodes_count;    /* Free inodes count */
    __le32    s_first_data_block;    /* First Data Block */
    __le32    s_log_block_size;    /* Block size */
    __le32    s_log_frag_size;    /* Fragment size */
    __le32    s_blocks_per_group;    /* # Blocks per group */
    __le32    s_frags_per_group;    /* # Fragments per group */
    __le32    s_inodes_per_group;    /* # Inodes per group */
    __le32    s_mtime;        /* Mount time */
    __le32    s_wtime;        /* Write time */
    __le16    s_mnt_count;        /* Mount count */
    __le16    s_max_mnt_count;    /* Maximal mount count */
    __le16    s_magic;        /* Magic signature */
    __le16    s_state;        /* File system state */
    __le16    s_errors;        /* Behaviour when detecting errors */    ...
　　 __le16    s_block_group_nr;     /* block group # of this superblock */
    ...
    __u8    s_uuid[];        /* 128-bit uuid for volume */
    char    s_volume_name[];     /* volume name */
    char    s_last_mounted[];     /* directory where last mounted */
    ...
};

注：Ext2在每个块组中都配置了一个超级块，正常情况下只是用第一个块组（块组0）中的超级块，其他块组的超级块只是一个备份

（2）块组描述表：是超级块的补充，提供块组位图存放位置和i节点存放位置

struct ext2_group_desc
{
    __le32    bg_block_bitmap;        /* Blocks bitmap block */
    __le32    bg_inode_bitmap;        /* Inodes bitmap block */
    __le32    bg_inode_table;        /* Inodes table block */
    __le16    bg_free_blocks_count;    /* Free blocks count */
    __le16    bg_free_inodes_count;    /* Free inodes count */
    __le16    bg_used_dirs_count;    /* Directories count */
    __le16    bg_pad;
    __le32    bg_reserved[];
};

（3）存储块管理位图：记录块组中数据块的使用情况

（4）i节点管理位图：记录块组中i节点的使用情况

（5）i节点表：存放i节点数据结构的表

（6）数据块：储存数据