内核——文件和文件系统的内部结构2

Posted 2021-12-07 ssozhno-1

　　上一讲，我们讲了Unix的本地文件系统和Linux的ext2文件系统。并对他们进行了简单的比较，发现基本相同。Unix文件系统的柱面组（cg，cylinder group）就是Linux下的块组（block group），因此柱面组信息块就是组块描述符。另外，Unix的柱面组信息块结构体包含位示图（bitmap），而ext2中的位图则单独列了出来，使得每个组块描述符是一样的。

　　这一讲，我们以ext2中的名词为准，看看在源码中这些名词（超级块，块组描述符，（inode）位示图，索引节点表，数据块）都是什么东西。

　　目标文件：Linux-2.6.0\\include\\linux\\ext2_fs.h

 

超级块（superblock）：ext2在磁盘上的超级块存放在一个ext2_super_block结构中。

　　

 

 　　当我们点进__u8,__u16,__u32其实是使用typedef给 unsigned char, unsigned short以及unsigned int的别名，代表长度为8,16，以及32位的无符号数，而__s8等则代表有符号的数。  这个里面包含了全部ext2的超级块的属性。然而实际上，我们不能能把全部的超级块内容都放入内存中，内存中关于ext2的超级块信息放在Linux-2.6.0\\include\\linux\\ext2_fs_sb.h。（如下图）

 

 

 

块组描述符（block group desc）：是一个ext2_group_desc结构体

 

当分配新索引节点和数据块时，会用到bg_free_blocks_count，bg_free_inode_count和bg_used_dirs_count字段。

其中位示图就是这个结构体中的bg_block_bitmap和bg_inode_bitmap。位示图是位的序列，其中值0表示对应的索引节点块或者数据块是空闲的，1表示占用。每个位图必须存放在一个单独的块中，又因为一个块可以是1024,2048或4096字节，因此一个单独的位图描述8192，16384或32768个块的状态。

 

 

索引节点表(icommon)：由一连串连续的块组成，其中每个块包含索引节点的一个预定义号。索引节点表第一个块的块号存放在组描述的bg_inode_table字段中。

 

所有索引节点的大小相同，即128字节。一个1024字节的块开业包含8个索引节点。为了计算出索引节点表占用了多少块，用一个组中的索引节点总数（存放在超级块的s_inodes_per_group中）除以每块中的索引节点数。

这里的icommon与VFS中索引节点对象的字段相似。不相同的主要处理块的分配。

索引节点表主要包括的属性有mode（文件类型0-7）,i_size(以字节为单位的文件长度),UID,GID,a/c/m/dtime，硬链接数，文件的数据块数(i_blocks)，文件标志(flags)，指向数据块的指针(i_block[EXT2_N_BLOCKS])等。

 

1、i_size和i_blocks的区别？——文件的洞

2、指向数据块的指针是如何指向数据块的？——数据块索引节点表

　　

数据块索引节点表（数据块寻址）

上面的i_blocks和i_block[EXT2_N_BLOCKS]共同组成了数据块索引节点表。

i_block中有EXT2_N_BLOCKS个元素，且包含逻辑块号的数组。我们根据ext2_fs.h中的定义可知EXT2_N_BLOCKS=15（如下图），而这15个元素有4种不同的类型，如下图所示：

在申请新磁盘块的时候，虽然理论上物理块之间不连续，但是为了提高效率，ext2采用了相应的策略让同一文件的块尽可能连续靠近。

 

注意这种机制是如何支持小文件的。如果文件需要的数据块小于12，那么两次访问磁盘就可以检索到任何数据：一次是读磁盘索引节点i_block数组的一个元素，另一次是读所需要的数据块。对于大文件来说，可能需要3-4次的磁盘访问才能找到需要的块。实际上，这是一种最坏的估计，因为目录项、缓冲区及页高速缓存都有助于极大地减少实际访问磁盘的次数。

要注意文件系统的块大小是如何影响寻址机制的，Ext2的块大小是允许调整的，因为大的块大小允许Ext2把更多的逻辑块号存放在一个单独的块中。表9.2显示了对每种块大小和每种寻址方式所存放文件大小的上限。例如，如果块的大小是1024字节，并且文件包含的数据最多为268KB，那么，通过直接映射可以访问文件最初的12KB数据，通过简单的间接映射可以访问剩余的13KB到268KB的数据。对于4096字节的块，两次间接就完全满足了对2GB文件的寻址（2GB是32位体系结构上的Ext2文件系统所允许的最大值）。可寻址的文件数据块大小的界限（如下表）：

 

文件的洞

文件的洞(file hole)是普通文件系统的一部分，它是一些空字符但没有存放在磁盘的任何数据块中。洞是Unix文件一直存在的一个特点。下列的Unix命令创建了第一个字节是洞的文件：

$ echo -n "X" | dd of=/tmp/hole bs=1024 seek=6

　　/tmp/hole有6145个字符（6144个空字符+X），然而，这个文件在磁盘上只占一个数据块。

　　引入文件的洞是为了避免磁盘空间的浪费。文件洞在Ext2中的实现是基于动态数据块的分配的：只有当进程需要向一个块写数据时，才真正把这个块分配给文件。每个索引节点的i_size字段定义程序锁看到的文件大小，包括洞，而i_blocks字段存放分配给文件有效的数据块数(以512字节为单位)

 

 

无论是在VFS还是在UFS，还是在别的什么文件系统，我们使用记住，文件系统中最重要的两个component是inode table和data block。一个用于文件索引节点号，一个用于放数据块。在UFS中，无论是超级块，还是组块描述符还是data block bitmap以及i-node bitmap都是为这两者服务的，用来说明两者的对应关系（指针+文件占用block数目，数据块索引表），两者是谁的问题（dentry，inode）。

 

 

参考：

《深入理解Linux内核》

https://blog.csdn.net/u014659656/article/details/46746395