ext4文件系統結構

❶ 關於ext4文件系統概述

在Linux系統中，ext4是最常用的文件系統之一。本文將簡要概述ext4在磁碟中的布局和數據結構。

首先，理解幾個基本概念：扇區（sector）、塊（block）、索引節點(inode)和數據區塊(data block)。ext4文件系統將分區劃分為多個塊組，每個塊組包含超級塊（存儲文件系統元數據）、區塊群組、塊點陣圖、inode點陣圖和組描述符，以及inode表和數據塊。

特別重要的是超級塊，它存儲了文件系統的關鍵信息，如inode和塊的數量。為了數據安全，除了第一個塊組，後續塊組也可能包含備份的超級塊。block bitmap和inode bitmap用於跟蹤已使用和未使用的塊或inode，以便高效管理磁碟空間。組描述符和inode表則定位特定文件的元數據和數據位置。

通過命令`mpe2fs`可以獲取ext4分區的詳細信息，如inode和block的數量，以及每個塊組的大小。例如，一個block可以容納16個inode，而一個block group則有8160個inode。

文件數據的存儲涉及到inode和數據塊，ext4使用extent tree來組織數據，即使是小文件也會佔用多個連續的數據塊。ext4_dir_entry用於目錄結構，而哈希樹（如htree）在ext4的某些版本中用於優化目錄查找性能。

要實際查看文件在磁碟中的分布，可以通過dd命令讀取ext4分區，例如查看`ceph-vol1`分區的超級塊和inode表，進而找到文本文件如`text.txt`的具體數據塊信息。

最後，ext4的最小單位是block，與Ceph對象存儲中的對象大小相對應，可以根據文件的塊數計算出其在磁碟上物理位置。通過理解這些基本概念，我們可以更好地理解ext4文件系統的運作機制。

❷ 系統性學習Ext4文件系統（圖例解析）

系統性學習Ext4文件系統的要點如下：

1. 核心組件：塊組

   • 定義：塊組是Ext4文件系統的核心組件，通過聚集文件數據降低尋道時間，提升性能。
   • 功能：包含超級塊、描述符表、數據塊等，實現數據的高效存儲和管理。

2. 超級塊

   • 作用：文件系統的「中央指揮部」，存儲重要信息，如文件系統大小、塊大小、冗餘備份策略等。
   • 備份：靈活塊組和元塊組中保留關鍵的SB和GDT備份，增強數據安全性。

3. Inodes

   • 定義：存儲文件元數據的結構，包括文件大小、許可權、所有者等。
   • 特殊Inodes：011號inode用於維護損壞鏈表、根目錄等關鍵功能。
   • 分配策略：通過鄰近存儲減少碎片，保持數據一致性和目錄結構清晰。

4. 文件類型與Inode表

   • 文件類型指示：採用1位指示文件類型，提升讀寫性能。
   • Inode表設計：通過計算塊組和索引高效查找文件元數據。
   • inode.i_blocks[]：不同類型文件有不同用途，如常規文件的索引、符號鏈接的存儲位置等。

5. Extent樹結構

   • 引入：從Ext2/Ext3到Ext4，引入extent樹結構減少元數據使用，支持大文件處理。
   • 功能：每個inode的根節點與數據塊通過extent樹緊密相連，確保數據准確性。

6. 目錄項與硬鏈接

   • 目錄項：映射字元串到inode，構成文件系統結構基礎。
   • 硬鏈接：提高文件訪問效率，但僅限於本文件系統內文件。

7. 目錄結構

   • 線性目錄與哈希樹目錄：提供不同查找策略，哈希樹目錄優化性能要求高的場景。
   • 擴展屬性EA：用於單獨數據塊的用戶許可權管理，豐富文件系統功能。

8. 數據持久性與一致性

   • 日誌系統：確保數據安全，通過描述符、數據塊和校驗和的管理實現。
   • 數據塊頭信息：與超級塊、描述數據塊共同構建復雜而強大的數據保護機制。

圖例解析： 塊組結構圖：展示塊組內部包含超級塊、描述符表、數據塊等的布局。 Inode結構圖：展示inode內部欄位的布局，如文件大小、許可權、所有者、指向數據塊的指針等。 Extent樹結構圖：展示extent樹如何連接inode與數據塊，以及如何通過extent節點管理大文件數據。 目錄項與哈希樹目錄圖：展示目錄項如何映射到inode，以及哈希樹目錄如何通過哈希查找優化目錄訪問速度。 日誌系統結構圖：展示日誌文件如何隱藏在單獨的塊組中，並通過描述符、數據塊和校驗和的管理確保數據安全性。