Linux Ext 系列文件系统原理与实战

Linux Ext 系列文件系统原理与实战

文件在操作系统中通常分为'内存级（已打开）'和'磁盘级（未打开）'两种状态。本文重点讨论存储在磁盘上的文件对象，以经典的 Ext2 文件系统为例，梳理从硬件底层到逻辑结构的完整链路。

理解硬件基础

存储层级概览

机械磁盘（HDD）属于外部存储设备，具有速度慢、容量大、成本低的特点。它是服务器的一部分，多台服务器组成机柜，多个机柜构成机房。这种层级结构是数据中心的基础形态。

物理与存储结构

机械磁盘写入数据的本质是磁介质的'两态'变化。其物理结构包含盘片（Platter），每个盘片有上下两个面，每面对应一个磁头。

• 磁道（Track）：同心圆环状的数据存储区域，从外圈向内圈编号，最内圈通常用于磁头停靠。
• 柱面（Cylinder）：所有盘片相同半径的磁道组成的逻辑单元。柱面数等于单个盘面的磁道数。
• 扇区（Sector）：磁盘存储数据的基本单位，通常为 512B，也是块设备的概念。

磁盘容量的计算公式为：磁头数 × 单个盘面的磁道数（柱面数）× 每道扇区数 × 每扇区字节数。

寻址方式：CHS 与 LBA

早期通过 CHS（柱面 - 磁头 - 扇区）定址来定位扇区。现代操作系统则直接使用 LBA（Logical Block Address，逻辑块地址）。

LBA 将三维的物理结构展开为一维线性数组，每个扇区都有唯一下标。转换公式如下：

LBA = C * (磁头数 * 每磁道扇区数) + H * 每磁道扇区数 + S - 1

其中 C 为柱面号，H 为磁头号，S 为扇区号。注意磁头和柱面编号从 0 开始，扇区从 1 开始。现代磁盘控制器会自动完成 LBA 到物理位置的映射，应用程序只需关注逻辑地址。

引入文件系统概念

块与分区

操作系统访问磁盘不以扇区为单位，效率太低，而是以'块'（Block）为单位，通常是连续的 8 个扇区（4KB）。知道 LBA 后，块号可通过 LBA / 8 计算得出。

由于块数量巨大，需要进行分区管理，以便独立维护不同的文件系统。

Inode 概念

在 Linux 下，文件的属性与内容是分离存储的。保存文件属性的集合称为 struct inode 对象，每个文件对应一个 inode，内含唯一的标识符 inode 号。文件名作为属性因大小不确定，不直接存入 inode，而是通过目录项关联。

Ext2 文件系统结构

Ext2 文件系统结构清晰，适合理解文件系统的基本原理。

核心组件

• MBR：磁盘总控，负责启动引导和分区管理。
• Boot Sector：分区入口，加载该分区的操作系统。
• Data Blocks：存储文件内容，基本单位是块。
• inode Table：存放 struct inode 对象，大小一般为 128 字节。一个块可存储 32 个 inode 对象。

文件的内容和数据块号对应，属性在 inode 表中。两者都跨组编号但不跨分区编号，确保同一分区内编号唯一。

位图与元数据

• Block Bitmap：记录数据块是否被使用。

• inode Bitmap：记录 inode 是否被使用。 删除文件时，只需将对应的位图置为 0，因此删除操作非常快。

• GDT（组描述符表）：描述组的属性，有多少个组就有多少个描述符。

• Super Block（超级块）：存放整个分区的文件系统信息，重要且会被备份在多个组中。