ext4文件系统结构

❶ 关于ext4文件系统概述

在Linux系统中，ext4是最常用的文件系统之一。本文将简要概述ext4在磁盘中的布局和数据结构。

首先，理解几个基本概念：扇区（sector）、块（block）、索引节点(inode)和数据区块(data block)。ext4文件系统将分区划分为多个块组，每个块组包含超级块（存储文件系统元数据）、区块群组、块位图、inode位图和组描述符，以及inode表和数据块。

特别重要的是超级块，它存储了文件系统的关键信息，如inode和块的数量。为了数据安全，除了第一个块组，后续块组也可能包含备份的超级块。block bitmap和inode bitmap用于跟踪已使用和未使用的块或inode，以便高效管理磁盘空间。组描述符和inode表则定位特定文件的元数据和数据位置。

通过命令`mpe2fs`可以获取ext4分区的详细信息，如inode和block的数量，以及每个块组的大小。例如，一个block可以容纳16个inode，而一个block group则有8160个inode。

文件数据的存储涉及到inode和数据块，ext4使用extent tree来组织数据，即使是小文件也会占用多个连续的数据块。ext4_dir_entry用于目录结构，而哈希树（如htree）在ext4的某些版本中用于优化目录查找性能。

要实际查看文件在磁盘中的分布，可以通过dd命令读取ext4分区，例如查看`ceph-vol1`分区的超级块和inode表，进而找到文本文件如`text.txt`的具体数据块信息。

最后，ext4的最小单位是block，与Ceph对象存储中的对象大小相对应，可以根据文件的块数计算出其在磁盘上物理位置。通过理解这些基本概念，我们可以更好地理解ext4文件系统的运作机制。

❷ 系统性学习Ext4文件系统（图例解析）

系统性学习Ext4文件系统的要点如下：

1. 核心组件：块组

   • 定义：块组是Ext4文件系统的核心组件，通过聚集文件数据降低寻道时间，提升性能。
   • 功能：包含超级块、描述符表、数据块等，实现数据的高效存储和管理。

2. 超级块

   • 作用：文件系统的“中央指挥部”，存储重要信息，如文件系统大小、块大小、冗余备份策略等。
   • 备份：灵活块组和元块组中保留关键的SB和GDT备份，增强数据安全性。

3. Inodes

   • 定义：存储文件元数据的结构，包括文件大小、权限、所有者等。
   • 特殊Inodes：011号inode用于维护损坏链表、根目录等关键功能。
   • 分配策略：通过邻近存储减少碎片，保持数据一致性和目录结构清晰。

4. 文件类型与Inode表

   • 文件类型指示：采用1位指示文件类型，提升读写性能。
   • Inode表设计：通过计算块组和索引高效查找文件元数据。
   • inode.i_blocks[]：不同类型文件有不同用途，如常规文件的索引、符号链接的存储位置等。

5. Extent树结构

   • 引入：从Ext2/Ext3到Ext4，引入extent树结构减少元数据使用，支持大文件处理。
   • 功能：每个inode的根节点与数据块通过extent树紧密相连，确保数据准确性。

6. 目录项与硬链接

   • 目录项：映射字符串到inode，构成文件系统结构基础。
   • 硬链接：提高文件访问效率，但仅限于本文件系统内文件。

7. 目录结构

   • 线性目录与哈希树目录：提供不同查找策略，哈希树目录优化性能要求高的场景。
   • 扩展属性EA：用于单独数据块的用户权限管理，丰富文件系统功能。

8. 数据持久性与一致性

   • 日志系统：确保数据安全，通过描述符、数据块和校验和的管理实现。
   • 数据块头信息：与超级块、描述数据块共同构建复杂而强大的数据保护机制。

图例解析： 块组结构图：展示块组内部包含超级块、描述符表、数据块等的布局。 Inode结构图：展示inode内部字段的布局，如文件大小、权限、所有者、指向数据块的指针等。 Extent树结构图：展示extent树如何连接inode与数据块，以及如何通过extent节点管理大文件数据。 目录项与哈希树目录图：展示目录项如何映射到inode，以及哈希树目录如何通过哈希查找优化目录访问速度。 日志系统结构图：展示日志文件如何隐藏在单独的块组中，并通过描述符、数据块和校验和的管理确保数据安全性。