EXT文件系统族-Ext2文件系统
一、学习内容
1.Ext2物理结构
2.Ext2数据结构
3.Ext2文件系统操作
二、Ext2物理结构
Ext2第二代扩展文件系统（Second extended filesystem），是LINUX内核使用的文件系统
Ext2文件系统特性：
1.磁盘块分为组
2.支持快速符号链接
3.在启动时支持对文件系统的状态进行自动的一致性检查
4.Ext2索引节点中引入新的字段（块、删除逻辑、日志）
必须建立各种结构（在内核中定义为C语言数据类型），来存放文件系统的数据，包括文件内容、目录层次结构的表示、相关的管理数据（如访问权限与用户和组的关联），以及用于管理文件系统内部信息的元数据。这些对从块设备读取数据进行分析而言，都是必要的。这些结构的持久副本显然需要存储在硬盘上，这样数据再两次会话之间不会丢失。下一次启动重新激活内核时，数据仍然时可用的。因为硬盘和物理内存的需求不同，同一数据结构通常会有两个版本，一个用在磁盘上的持久存储，另一个用在内存中的处理。
Ext2文件系统专注于高性能
1.支持可变块长，使得文件系统能够处理预期的应用；
2.快速符号链接，如果链接目标的路径足够短，则将其存储在inode自身中；
3.将扩展能力集成到设计当中，从旧版本迁移到新版本时，无需重新格式化和重新加载硬盘；
4.Ext2有一个非常大的有点（与现代文件系统相比，Ext2文件系统的代码非常紧凑，使用不到10000行代码就足以实现了）。
块（block）的两个含义
1.有些文件系统存储在面向块的设备上，与设备之间的数据传输都以块为单位进行，不会传输单个字符。
2.Ext2文件系统是一种基于块的文件系统，他将硬盘分为若干块，每个块的长度都相同，按块管理元数据和文件内容。
块组
块组是该文件系统的基本成分，容纳文件系统其他结构，每个文件系统都由大量块组成，直接在硬盘上相继排列。
块组是Ext2文件系统的核心要素。块组是该文件系统的基本成分，容纳了文件系统的其他结构。
为什么Ext2文件系统允许这样浪费空间？有两个原因，可以证明提供额外的空间的做法是正确的。
1.如果系统崩溃破坏的超级块，有关文件系统结构和内容所有信息都会丢失。如果有冗余的副本，该信息是可能恢复的。
2.通过使文件和管理数据尽可能的接近，减少磁头寻道和旋转，这可以提高文件系统的性能。
超级块：用于存储文件系统自身元数据的核心结构，内核只使用第一个块组的超级块读取文件系统的元信息。
块描述符：包含的信息反映文件系统各个块组的状态，比如：块组中空闲块和inode数目，每个块组都包含了文件系统中所有块组的组描述符信息。
indoe表：包含块组中所有的inode，inode用于保存文件系统中与各个文件和目录相关的所有元数据。
数据块：包含文件系统中的文件的有用数据。
三、EXT2的数据结构
超级块
超级块：超级块是文件系统的核心结构，保存了文件系统所有的特征数据。内核在装载文件系统时，最先看到的就是超级块的内容。使用ext2_super_block结构定义超级块。
/*
* Structure of the super block
*/
struct ext2_super_block {
__le32 s_inodes_count; /* Inodes count (inode数目)*/
__le32 s_blocks_count; /* Blocks count (块数目)*/
__le32 s_r_blocks_count; /* Reserved blocks count（已分配块的数目） */
__le32 s_free_blocks_count; /* Free blocks count （空闲块数目）*/
__le32 s_free_inodes_count; /* Free inodes count（空闲inode数目） */
__le32 s_first_data_block; /* First Data Block （第一个数据块）*/
__le32 s_log_block_size; /* Block size （块长度）*/
__le32 s_log_frag_size; /* Fragment size （碎片长度）*/
__le32 s_blocks_per_group; /* # Blocks per group （每个块组包含的块数）*/
__le32 s_frags_per_group; /* # Fragments per group （每个块包含的碎片）*/
__le32 s_inodes_per_group; /* # Inodes per group （每个块组的inode数目））*/
__le32 s_mtime; /* Mount time （装载时间）*/
__le32 s_wtime; /* Write time （写入时间）*/
__le16 s_mnt_count; /* Mount count （装载计数）*/
__le16 s_max_mnt_count; /* Maximal mount count （最大装载数）*/
__le16 s_magic; /* Magic signature （魔数，标记文件系统类型）*/
__le16 s_state; /* File system state （文件系统状态）*/
__le16 s_errors; /* Behaviour when detecting errors （检测到错误时的行为）*/
__le16 s_minor_rev_level; /* minor revision level （副修订号）*/
__le32 s_lastcheck; /* time of last check （上一次检查的时间）*/
__le32 s_checkinterval; /* max. time between checks （两次检查允许间隔的最长时间）*/
__le32 s_creator_os; /* OS （创建文件系统的操作系统）*/
__le32 s_rev_level; /* Revision level （修订号）*/
__le16 s_def_resuid; /* Default uid for reserved blocks （能够使用的保留块的默认uid）*/
__le16 s_def_resgid; /* Default gid for reserved blocks （能够使用保留块的默认GID）*/
/*
* These fields are for EXT2_DYNAMIC_REV superblocks only.
*
* Note: the difference between the compatible feature set and
* the incompatible feature set is that if there is a bit set
* in the incompatible feature set that the kernel doesn't
* know about, it should refuse to mount the filesystem.
*
* e2fsck's requirements are more strict; if it doesn't know
* about a feature in either the compatible or incompatible
* feature set, it must abort and not try to meddle with
* things it doesn't understand...
*/
__le32 s_first_ino; /* First non-reserved inode （第一个非保留的inode）*/
__le16 s_inode_size; /* size of inode structure (inode结构的长度)*/
__le16 s_block_group_nr; /* block group # of this superblock （当前超级块所在的块组编号）*/
__le32 s_feature_compat; /* compatible feature set 兼容特性集*/
__le32 s_feature_incompat; /* incompatible feature set 不兼容特性集*/
__le32 s_feature_ro_compat; /* readonly-compatible feature set 只读兼容特性集*/
__u8 s_uuid[16]; /* 128-bit uuid for volume 卷的128位的uuid*/
char s_volume_name[16]; /* volume name 卷名*/
char s_last_mounted[64]; /* directory where last mounted 上次装载的目录*/
__le32 s_algorithm_usage_bitmap; /* For compression 用于压缩*/
/*
* Performance hints. Directory preallocation should only
* happen if the EXT2_COMPAT_PREALLOC flag is on.
*/
__u8 s_prealloc_blocks; /* Nr of blocks to try to preallocate（试图预分配的块数）*/
__u8 s_prealloc_dir_blocks; /* Nr to preallocate for dirs 试图为目录预分配的块数*/
__u16 s_padding1;
/*
* Journaling support valid if EXT3_FEATURE_COMPAT_HAS_JOURNAL set.
*/
__u8 s_journal_uuid[16]; /* uuid of journal superblock */
__u32 s_journal_inum; /* inode number of journal file */
__u32 s_journal_dev; /* device number of journal file */
__u32 s_last_orphan; /* start of list of inodes to delete */
__u32 s_hash_seed[4]; /* HTREE hash seed */
__u8 s_def_hash_version; /* Default hash version to use */
__u8 s_reserved_char_pad;
__u16 s_reserved_word_pad;
__le32 s_default_mount_opts;
__le32 s_first_meta_bg; /* First metablock block group */
__u32 s_reserved[190]; /* Padding to the end of the block */
};
s_magic字段存储一个魔数，该数值确认装载的文件系统确实是Ext2类型。s_minor_rev_level用于区分文件系统的不同版本。
组描述符
前面如图所示，每个块组都有一个组描述符的集合，紧随超级块之后，其中保存的信息反应了文件系统每个块组的内容，因此，不仅关系到当前块组的数据块，还与其他块组的数据块和inode块相关。用于定义单个组描述符的数据结构比超级块结构短的多。
/*
* Structure of a blocks group descriptor
*/
struct ext2_group_desc
{
__le32 bg_block_bitmap; /* Blocks bitmap block (块位图块)*/
__le32 bg_inode_bitmap; /* Inodes bitmap block (inode位图块)*/
__le32 bg_inode_table; /* Inodes table block (inode表块)*/
__le16 bg_free_blocks_count; /* Free blocks count (空闲块数目)*/
__le16 bg_free_inodes_count; /* Free inodes count (空闲inode数目)*/
__le16 bg_used_dirs_count; /* Directories count (目录数目)*/
__le16 bg_pad;
__le32 bg_reserved[3];
};
inode
每个块组都包含一个inode位图和一个本地的inode表，inode表可能延续到几个块。位图的内容与本地块组相关，不会复制到文件系统中的其他位置。inode位图用于概述块组中已用和空闲的inode。
/*
* Structure of an inode on the disk
*/
struct ext2_inode {
__le16 i_mode; /* File mode （文件模式）*/
__le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid （所有者UID的低16位）*/
__le32 i_size; /* Size in bytes （长度，按字节计算）*/
__le32 i_atime; /* Access time （访问时间）*/
__le32 i_ctime; /* Creation time （创建时间）*/
__le32 i_mtime; /* Modification time （修改时间）*/
__le32 i_dtime; /* Deletion Time （删除时间）*/
__le16 i_gid; /* Low 16 bits of Group Id （组ID的低16位）*/
__le16 i_links_count; /* Links count （链接计数）*/
__le32 i_blocks; /* Blocks count （块数据）*/
__le32 i_flags; /* File flags （文件标志）*/
union {
struct {
__le32 l_i_reserved1;
} linux1;
struct {
__le32 h_i_translator;
} hurd1;
struct {
__le32 m_i_reserved1;
} masix1;
} osd1; /* OS dependent 1 */
__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks 块指针*/
__le32 i_generation; /* File version (for NFS) （文件版本，用于NFS）*/
__le32 i_file_acl; /* File ACL */
__le32 i_dir_acl; /* Directory ACL */
__le32 i_faddr; /* Fragment address 碎片地址*/
union {
struct {
__u8 l_i_frag; /* Fragment number */
__u8 l_i_fsize; /* Fragment size */
__u16 i_pad1;
__le16 l_i_uid_high; /* these 2 fields */
__le16 l_i_gid_high; /* were reserved2[0] */
__u32 l_i_reserved2;
} linux2;
struct {
__u8 h_i_frag; /* Fragment number */
__u8 h_i_fsize; /* Fragment size */
__le16 h_i_mode_high;
__le16 h_i_uid_high;
__le16 h_i_gid_high;
__le32 h_i_author;
} hurd2;
struct {
__u8 m_i_frag; /* Fragment number */
__u8 m_i_fsize; /* Fragment size */
__u16 m_pad1;
__u32 m_i_reserved2[2];
} masix2;
} osd2; /* OS dependent 2 */
};
四、目录和文件
文件系统的拓扑结构，在LINUX中，目录是一种特殊的文件，其中是inode指针和对应的文件名列表，表示了当前目录下的文件和子目录，对于EXT2文件系统，也是这样，每个目录表示为一个inode，会对其分配数据块，数据块中包含了用于描述目录项的结构。在内核源代码中目录项结构定义如下，
/*
* The new version of the directory entry. Since EXT2 structures are
* stored in intel byte order, and the name_len field could never be
* bigger than 255 chars, it's safe to reclaim the extra byte for the
* file_type field.
*/
struct ext2_dir_entry_2 {
__le32 inode; /* Inode number (inode编号)*/
__le16 rec_len; /* Directory entry length */
__u8 name_len; /* Name length */
__u8 file_type;
char name[]; /* File name, up to EXT2_NAME_LEN */
};
/*
* Ext2 directory file types. Only the low 3 bits are used. The
* other bits are reserved for now.
*/
enum {
EXT2_FT_UNKNOWN = 0,
EXT2_FT_REG_FILE = 1,
EXT2_FT_DIR = 2, //普通文件
EXT2_FT_CHRDEV = 3,//字符特殊文件和快特殊文件
EXT2_FT_BLKDEV = 4,
EXT2_FT_FIFO = 5,//命名管道
EXT2_FT_SOCK = 6,//套接字
EXT2_FT_SYMLINK = 7,
EXT2_FT_MAX
};
五、EXT2文件系统操作
虚拟文件系统和具体实现之间的关联大体上由3个结构建立，结构中包含了一系列的函数指针。所有的文件系统都必须实现该关联。
1.用于操作文件内容的操作保存在file_operations中；
2.用于此类文件对象自身操作的操作保存在inode_operations中；
3.用于一般地址空间操作保存在address_space_operations中。
（1）Ext2文件系统对不同的文件类型提供了不同的file_operations实例：
/*
* We have mostly NULL's here: the current defaults are ok for
* the ext2 filesystem.
*/
const struct file_operations ext2_file_operations = {
.llseek = generic_file_llseek,
.read_iter = generic_file_read_iter,
.write_iter = generic_file_write_iter,
.unlocked_ioctl = ext2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = ext2_compat_ioctl,
#endif
.mmap = ext2_file_mmap,
.open = dquot_file_open,
.release = ext2_release_file,
.fsync = ext2_fsync,
.splice_read = generic_file_splice_read,
.splice_write = iter_file_splice_write,
};
（2）目录也有自身的file_operations实例，具体源码如下：
const struct file_operations ext2_dir_operations = {
.llseek = generic_file_llseek,
.read = generic_read_dir,
.iterate = ext2_readdir,
.unlocked_ioctl = ext2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = ext2_compat_ioctl,
#endif
.fsync = ext2_fsync,
};
（3）目录有更多的inode操作源码如下：
const struct inode_operations ext2_dir_inode_operations = {
.create = ext2_create,
.lookup = ext2_lookup,
.link = ext2_link,
.unlink = ext2_unlink,
.symlink = ext2_symlink,
.mkdir = ext2_mkdir,
.rmdir = ext2_rmdir,
.mknod = ext2_mknod,
.rename = ext2_rename,
#ifdef CONFIG_EXT2_FS_XATTR
.setxattr = generic_setxattr,
.getxattr = generic_getxattr,
.listxattr = ext2_listxattr,
.removexattr = generic_removexattr,
#endif
.setattr = ext2_setattr,
.get_acl = ext2_get_acl,
.set_acl = ext2_set_acl,
.tmpfile = ext2_tmpfile,
};
（4）文件系统和块层通过address_space_operations关联。
const struct address_space_operations ext2_aops = {
.readpage = ext2_readpage,
.readpages = ext2_readpages,
.writepage = ext2_writepage,
.write_begin = ext2_write_begin,
.write_end = ext2_write_end,
.bmap = ext2_bmap,
.direct_IO = ext2_direct_IO,
.writepages = ext2_writepages,
.migratepage = buffer_migrate_page,
.is_partially_uptodate = block_is_partially_uptodate,
.error_remove_page = generic_error_remove_page,
};
（5）此结构(super_operations)用于与超级块交互(读、写、分配inode)。
static const struct super_operations ext2_sops = {
.alloc_inode = ext2_alloc_inode,
.destroy_inode = ext2_destroy_inode,
.write_inode = ext2_write_inode,
.evict_inode = ext2_evict_inode,
.put_super = ext2_put_super,
.sync_fs = ext2_sync_fs,
.freeze_fs = ext2_freeze,
.unfreeze_fs = ext2_unfreeze,
.statfs = ext2_statfs,
.remount_fs = ext2_remount,
.show_options = ext2_show_options,
#ifdef CONFIG_QUOTA
.quota_read = ext2_quota_read,
.quota_write = ext2_quota_write,
.get_dquots = ext2_get_dquots,
#endif
};