Linux文件系统结构

Posted 2020-10-12 编程人，在天涯

　　不同的文件系统存储文件的方式是不同的，所以其结构也是不同的。本文要介绍的是Linux最传统的文件系统EXT2的结构。

　　EXT2文件系统的主要组成结构有：inode table（inode表格）、data block（信息区块）、superblock（超级区块）、filesystem description（文件系统描述说明）、inode bitmap（inode对照表）、block bitmap（区块对照表）等。

　　在EXT2文件系统中，文件的权限、属性与文件的内容是分开存储的，文件的权限和属性都存储在inode中，而文件内容则存储在block中。inode和block的大小和数量都是在格式化（即文件系统创建）的时候就已经固定了的。每个inode的大小均为128bytes（ext4与xfs可以设置256bytes），每个文件仅占用一个inode，所以文件系统中能够建立的文件数量与inode的数量有关。block有1k，2k和4k三种大小，所以当文件内容的大小超出block的大小时就需要多个block来存储了。

　　每个inode和block都是有编号的。inode中不仅存储了文件的权限和属性，也存储了文件内容存放的所有block的编号，这样只要找到文件的inode就能根据inode中记录的block的编号一次性把所有存放该文件内容的block的数据全部读取出来了。这里借鸟哥的图加以说明：

　　问题来了，记录一个block编号需要4bytes的空间，如果一个文件比较大的话，需要的block的数量是比较多的，但是inode只有128bytes啊，怎么记录得了那么多的block编号呢？其实并不是所有的block编号都直接记录在inode中的，当文件占用的block数量比较多的时候，系统会拿出一些block专门来记录文件内容block的编号，然后inode只要记录这些block的编号就可以读取到文件内容block的编号了。EXT2把inode中记录blok编号的区域定义为12个直接，一个间接，一个双间接，和一个三间接记录区，这里还是借用鸟哥的图加以说明：

这样子还是可以根据inode找到存储文件内容的所有block啊！

　　不过尽管如此，由于inode中存放block编号的区域大小是固定的，inode能够存储的block编号的数量就是固定的，而block的大小也是固定的，所以也就是说在一个已知block大小的文件系统中，文件的最大大小是固定的！

　　既然block的大小有1K，2K和4K三种类型，那我们是应该选择大一点的还是小一点的好呢？由于一个block只能存储一个文档的内容，一个文件不管多小，它至少都会占用一个block的空间，所以如果block的空间很大，但是系统中有很多很小的文件，那会就浪费很多的空间了。如果把block定得很小，但是系统中有很多大文件的话，那么一个文件就需要存放到很多个block中，读取文件内容的时候需要到多个block中读取，而且inode需要记录的block的编号很多，系统还需要拿出更多的block来记录文件内容block的编号，这在时间和空间上都是比较浪费的。所以，block的大小定多少合适，还是需要根据文件系统预计使用情况来决定的。

　　接下来简单介绍一下EXT文件系统结构中其他组成部分：

（1）Superblock：大小为1024bytes，是记录整个文件系统相关信息的地方，主要有：block与inode的大小和数量、未使用与已使用的inode/block的数量，以及文件系统的是否已被挂载、挂载的时间等等。

（2）Filesystem description：描述每个block group（下文介绍）的开始与结束的block编号，以及说明每个区段（inode table，data block等）分别介于哪个block号码之间。

（3）Inode bitmap：记录哪些inode是未使用的，哪些是已被使用的。

（4）Block bitmap：记录哪些block是未使用的，哪些是已被使用的。

　　此外，在EXT3和EXT4中，还会规划出一个区块用于记录文件修改的日志记录，以便在文件系统发生问题的时候能很快查到问题所在。

　　如果文件系统很大的话，inode和block的数量就会很大，不容易管理，所以EXT在格式化的时候基本上是区分为多个区块群组的，每个区块群组都有以上介绍的所有组成部分（可以从指令dumpe2fs的打印结果中查看），看起来就像下图（图借自鸟哥）：

　　这样了解了EXT2文件系统的结构之后，文件的创建、查询、修改、删除具体经历了哪些过程，包含了哪些细节，我们就可以清楚地知道了！

　　文件系统格式化的时候，EXT文件系统家族在格式化处理的过程中就把所有/inode/block/meta data等结构都预先规划并分配好，以后系统就可以直接取用，不需要再进行动态配置了。这种方法有个问题，就是当格式化的文件系统很大的时候，格式化需要花费很长的时间。而新的日志式文件系统XFS就弥补了这个不足，它的inode和block都是等系统需要使用的时候才进行动态分配的，所以格式化过程超快，适合用于大文件系统。