【Linux】Ext系列文件系统（上）

一、理解硬件

1.1 磁盘、服务器、机柜、机房

• 机械磁盘是计算机中唯一一个机械设备
• 磁盘 --- 外设
• 慢、容量大、价格便宜

磁盘：磁盘是计算机存储数据的基本硬件设备，通常分为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。磁盘直接安装在服务器或存储设备中，用于存储操作系统、应用程序和用户数据。磁盘的性能和容量直接影响服务器的数据处理能力。

服务器：服务器是一种高性能计算机，用于处理数据、运行应用程序和提供服务。服务器通常包含多个磁盘、CPU、内存和网络接口，能够执行复杂的计算任务。服务器可以独立运行，也可以集群化部署以提高性能和可靠性。

机柜：机柜是用于集中安装和管理服务器的物理框架，通常为标准19英寸宽度。机柜提供电源分配、网络布线、散热和安全管理功能，能够容纳多台服务器、存储设备及网络设备。机柜的设计便于设备的集中维护和扩展。

机房：机房是专门用于存放和管理机柜、服务器及其他IT设备的基础设施空间。机房配备UPS电源、空调系统、消防设施和监控系统，确保设备在适宜的环境中运行。机房的规模可以从小型企业机房到大型数据中心不等。

它们之间的关系：磁盘安装在服务器中，服务器安装在机柜中，机柜部署在机房内。这种层级关系确保了硬件资源的集中管理和高效利用。机房作为顶层设施，为整个IT基础设施提供稳定的运行环境。

1.2 磁盘的物理结构

1.3 磁盘的存储结构

扇面：磁盘存储数据的基本单位，512字节，块设备。

如何定位一个扇区呢？

1. 可以先定位磁头（head）
2. 确定磁头要访问哪一个柱面(磁道)（cylinder）
3. 定位一个扇区（sector）
4. CHS地址定位

文件 = 内容 + 属性 都是数据，无非就是占据哪几个扇区的问题！能定位一个扇区了，那能不能定位多个扇区？

• 扇区是从磁盘读取和写入信息的最小单位，通常大小为512字节。
• 磁头（head）数：每个盘片一般由上下两面，分别对应一个磁头，共2个磁头。
• 磁道（track）数：磁道是从盘片外圈往内圈编号0磁道、1磁道……，靠近主轴的同心圆用于停靠磁头，不存数据。
• 柱面（cylinder）数：磁道构成柱面，数量上等同于磁道个数。
• 扇区（sector）数：每个磁道都被切分成很多个扇区，每道磁道的扇区数量相同。
• 圆盘（platter）数：就是盘片的数量。
• 磁盘容量 = 磁头数 * 磁道(柱面)数 * 每道扇区数 * 每个扇区字节数。
• 细节：传动臂上的磁头是共进退的。

柱面（cylinder）、磁头（head）、扇区（sector），显然可以定位数据了，这就是数据定位（寻址）方法之一，CHS寻址法。

CHS寻址法

对早期的磁盘非常有效，知道用哪个磁头，读取哪个柱面上的第几扇区就可以读到数据了。但是CHS模式支持的硬盘容量有限，因为系统用8bit来存储磁头地址，用10bit来存储柱面地址，⽤6bit来存储扇区地址，而一个扇区共有512Byte，这样使⽤CHS寻址⼀块硬盘最大容量为256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)（若按1MB=1000000B来算就是8.4GB）

1.4 磁盘的逻辑结构

1.4.1 理解过程

磁带上面可以存储数据，我们可以把磁带“拉直”，形成线性结构。

那么磁盘本质上虽然是硬质的，但是逻辑上我们可以把磁盘想象为卷在一起的磁带，那么磁盘的逻辑存储结构我们也可以类似于：

这样每一个扇区都有一个线性地址（其实就是数组下标），这种地址叫做LBA。

1.4.2 真实过程

一个细节：传动臂上的磁头是共进退的。

柱面是一个逻辑上的概念，其实就是每一面上，相同半径的磁道逻辑上构成柱面。

所以，磁盘物理上分了很多面，但是在我们看来，逻辑上，磁盘整体是由“柱面”卷起来的。

所以，磁盘的真实情况是：

磁道：

某一盘面的某一磁道展开：

即：一维数组

柱面：

整个磁盘的所有盘面的同一个磁道，即柱面展开：

• 柱面上的每个磁道，扇区的个数是相同的。
• 即：二维数组

整盘：

柱面n等等。

整个磁盘不就是多张二维扇区数组表（三维数组）。

所以，寻址一个扇区：先找到哪一个柱面（cylinder），在确定柱面内哪一个磁道（其实就是磁头的位置，Head），在确定扇区（sector），所以就有了CHS。

我们之前学过C/C++数组，在我们看来，其实全部都是一维数组：

所以，每个扇区都有一个下标，我们叫做LBA（Logical Block Address）地址，其实就是线性地址。那么怎么计算得到这个LBA地址呢？

1.5 CHS && LBA地址

CHS转成LBA：

• 磁头数 * 每个磁道的扇区数 = 单个柱面总的扇区数
• LBA = 柱面号C * 单个柱面扇区总数 + 磁头号H * 每个磁道扇区总数 + 扇区号S - 1
• 即：LBA = 柱面号C * (磁头数 * 每个磁道的扇区数) + 磁头号H * 每个磁道扇区总数 + 扇区号S - 1
• 扇区号通常是从1开始的，而在LBA中，地址是从0开始的
• 柱面和磁道都是从0开始编号的
• 总柱面数，磁道数，扇区总数等信息，在磁盘内部会自动维护，上层开机的时候，会获取到这些参数

LBA转成CHS：

• 柱面号C = LBA / (磁头数 * 每个磁道的扇区数) 【就是单个柱面的扇区总数】
• 磁头号H = (LBA % (磁头数 * 每个磁道的扇区数)) / 每个磁道的扇区数
• 扇区号S = (LBA % 每个磁道的扇区数) + 1
• /：表示除取整

所以，从此往后，在磁盘使用者看来，根本就不关心CHS地址，而是直接使用LBA地址，磁盘内部自己转换。

所以，从现在开始，磁盘就是一个元素为扇区的一维数组，数组的下标就是每个扇区的LBA地址。OS使用磁盘，就可以用一个数字访问磁盘扇区了。

二、引入文件系统

2.1 引入“块”概念

其实硬盘是典型的“块”设备，操作系统读取硬盘数据的时候，其实是不会一个个扇区读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个“块”（block）。

硬盘的每个分区被划分为一个个的“块”。一个“块”的大小是由格式化的时候决定的，并且不可以更改，常见的是4KB，即连续八个扇区组成一个“块”。“块”是文件存取的最小单位。

注意：

• 磁盘就是一个三维数组，我们把它看待成一个一维数组，数组下标就是LBA，每个元素都是扇区。
• 每个扇区都有LBA，那么8个扇区一个块，每一个块的地址我们也能算出来。
• 知道LBA，块号 = LBA / 8
• 知道块号，LBA = 块号 * 8 + n（n是块内第几个扇区）

2.2 引入“分区”概念

其实磁盘是可以被分成多个分区的，以Windows观点来看，你可能会有一块磁盘并且将它分区成C,D,E盘。那个C,D,E就是分区。分区从实质上说就是对硬盘的一种格式化，但是Linux的设备都是以文件形式存在，那是怎么分区呢？

柱面是分区的最小单位，我们可以利用参考柱面号码的方式进行分区，其本质就是设置每个区的起始柱面和结束柱面的号码。此时我们可以将磁盘上的柱面（分区）进行平铺，将其想象成一个大的平面，如下图所示：

注意：

柱面大小一致，扇区个位一致，那么其实只要知道每个分区的起始和结束柱面号，知道每一个柱面多少个扇区，那么该分区多大，其实和解释LBA是多少也就清楚了。

2.3 引入“inode”概念

之前我们说过 文件 = 内容 + 属性，我们使用 ls -l 的时候看到的除了文件名，还能看到文件的元数据（属性）。

每行包含7列：模式、硬链接数、文件所有者、组、大小、最后修改时间、文件名。

ls -l 读取存储在磁盘上的文件信息，然后显示出来。

其实这个信息除了这种方式来读取，还有一个 stat 命令能看到更多信息

到这里我们要思考一个问题，文件数据都存储在“块”中，那么很显然，我们必须找到一个地方存储文件的元数据（属性），比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种存储文件元数据的区域就叫做inode，中文译名为“索引节点”。

每一个文件都有对应的inode，里面包含了于该文件有关的一些信息。为了能够解释清楚inode，我们需要深入了解一下文件系统。

注意：

• Linux下文件的存储是属性和内容分离存储的。
• Linux下，保存文件属性的集合叫做inode，一个文件，一个inode，inode内有一个唯一的标识符，叫做inode号。

所以一个文件的属性inode长什么样子呢？

/** Structure of an inode on the disk*/
struct ext2_inode
{__le16 i_mode;        /* File mode */__le16 i_uid;         /* Low 16 bits of Owner Uid */__le32 i_size;        /* Size in bytes */__le32 i_atime;       /* Access time */__le32 i_ctime;       /* Creation time */__le32 i_mtime;       /* Modification time */__le32 i_dtime;       /* Deletion Time */__le16 i_gid;         /* Low 16 bits of Group Id */__le16 i_links_count; /* Links count */__le32 i_blocks;      /* Blocks count */__le32 i_flags;       /* File flags */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 */__le32 i_generation;           /* File version (for NFS) */__le32 i_file_acl;             /* File ACL */__le32 i_dir_acl;              /* Directory ACL */__le32 i_faddr;                /* Fragment address */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 */
};
/** Constants relative to the data blocks*/
#define EXT2_NDIR_BLOCKS 12
#define EXT2_IND_BLOCK EXT2_NDIR_BLOCKS
#define EXT2_DIND_BLOCK (EXT2_IND_BLOCK + 1)
#define EXT2_TIND_BLOCK (EXT2_DIND_BLOCK + 1)
#define EXT2_N_BLOCKS (EXT2_TIND_BLOCK + 1)备注：EXT2_N_BLOCKS = 15

注意：

• 文件名属性并未纳入到inode数据结构内部。
• inode的大小一般是128字节或者256字节，我们后面统一128字节。
• 任何文件的内容大小可以不同，但是属性大小一定是相同的。