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Linux 的 EXT4 檔案系統的歷史、特性以及最佳實踐

阿新 • • 發佈：2019-01-23

我想要更深入地瞭解 EXT 檔案系統的特性的詳細內容，但是首先讓我們來回答一個問題，“什麼樣才算是一個檔案系統 ？” 一個檔案系統應該涵蓋以下所有特點：

  1. 資料儲存： 對於任何一個檔案系統來說，一個最主要的功能就是能夠被當作一個結構化的容器來儲存和獲取資料。

  2. 名稱空間： 名稱空間是一個提供了用於命名與組織資料的命名規則和資料結構的方法學。

  3. 安全模型： 一個用於定義訪問許可權的策略。

  4. API： 操作這個系統的物件的系統功能呼叫，這些物件諸如目錄和檔案。

  5. 實現： 能夠實現以上幾點的軟體。

本文內容的討論主要集中於上述幾點中的第一項，並探索為一個 EXT 檔案系統的資料儲存提供邏輯框架的元資料結構。

EXT 檔案系統歷史

雖然 EXT 檔案系統是為 Linux 編寫的，但其真正起源於 Minix 作業系統和 Minix 檔案系統，而 Minix 最早釋出於 1987，早於 Linux 5 年。如果我們從 EXT 檔案系統大家族的 Minix 起源來觀察其歷史與技術發展那麼理解 EXT4 檔案系統就會簡單得多。

Minix

當 Linux Torvalds 在寫最初的 Linux 核心的時候，他需要一個檔案系統但是他又不想自己寫一個。於是他簡單地把 Minix 檔案系統 加了進去，這個 Minix 檔案系統是由 Andrew S. Tanenbaum 寫的，同時它也是 Tanenbaum 的 Minix 作業系統的一部分。Minix 是一個類 Unix 風格的作業系統，最初編寫它的原因是用於教育用途。Minix 的程式碼是自由可用的並有適當的許可協議，所以 Torvalds 可以把它用 Linux 的最初版本里。

Minix 有以下這些結構，其中的大部分位於生成檔案系統的分割槽中：

  • 引導扇區 是硬碟安裝後的第一個扇區。這個引導塊包含了一個非常小的引導記錄和一個分割槽表。

  • 每一個分割槽的第一個塊都是一個包含了元資料的超級塊superblock ，這些元資料定義了其他的檔案系統結構並將其定位於物理硬碟的具體分割槽上。

  • 一個 inode 點陣圖塊 決定了哪些 inode 是在使用中的，哪一些是未使用的。

  • inode 在硬碟上有它們自己的空間。每一個 inode 都包含了一個檔案的資訊，包括其所處的資料塊的位置，也就是該檔案所處的區域。

  • 一個 區點陣圖 用於保持追蹤資料區域的使用和未使用情況。

  • 一個 資料區, 這裡是資料儲存的地方。

對上述了兩種點陣圖型別來說，一個位bit表示一個指定的資料區或者一個指定的 inode。 如果這個位是 0 則表示這個資料區或者這個 inode 是未使用的，如果是 1 則表示正在使用中。

那麼，inode 又是什麼呢 ? 就是 index-node（索引節點）的簡寫。 inode 是位於磁碟上的一個 256 位元組的塊，用於儲存和該 inode 對應的檔案的相關資料。這些資料包含了檔案的大小、檔案的所有者和所屬組的使用者 ID、檔案模式（即訪問許可權）以及三個時間戳用於指定：該檔案最後的訪問時間、該檔案的最後修改時間和該 inode 中的資料的最後修改時間。

同時，這個 inode 還包含了位置資料，指向了其所對應的檔案資料在硬碟中的位置。在 Minix 和 EXT 1-3 檔案系統中，這是一個數據區和塊的列表。Minix 檔案系統的 inode 支援 9 個數據塊，包括 7 個直接資料塊和 2 個間接資料塊。如果你想要更深入的瞭解，這裡有一個優秀的 PDF 詳細地描述了 Minix 檔案系統結構 。同時你也可以在維基百科上對 inode 指標結構 做一個快速瞭解。

EXT

原生的 EXT 檔案系統 (意即擴充套件的extended) 是由 Rémy Card 編寫並於 1992 年與 Linux 一同發行。主要是為了克服 Minix 檔案系統中的一些檔案大小限制的問題。其中，最主要的結構變化就是檔案系統中的元資料。它基於 Unix 檔案系統 （UFS），其也被稱為伯克利快速檔案系統（FFS）。我發現只有很少一部分關於 EXT 檔案系統的發行資訊是可以被確證的，顯然這是因為其存在著嚴重的問題，並且它很快地被 EXT2 檔案系統取代了。

EXT2

EXT2 檔案系統 就相當地成功，它在 Linux 發行版中存活了多年。它是我在 1997 年開始使用 Red Hat Linux 5.0 時接觸的第一個檔案系統。實際上，EXT2 檔案系統有著和 EXT 檔案系統基本相同的元資料結構。然而 EXT2 更高瞻遠矚，因為其元資料結構之間留有很多供將來使用的磁碟空間。

和 Minix 類似，EXT2 也有一個引導扇區 ，它是硬碟安裝後的第一個扇區。它包含了非常小的引導記錄和一個分割槽表。接著引導扇區之後是一些保留的空間，它填充了引導記錄和硬碟驅動器上的第一個分割槽（通常位於下一個柱面）之間的空間。GRUB2 – 也可能是 GRUB1 – 將此空間用於其部分引導程式碼。

每個 EXT2 分割槽中的空間被分為柱面組cylinder group，它允許更精細地管理資料空間。 根據我的經驗，每一組大小通常約為 8MB。 下面的圖 1 顯示了一個柱面組的基本結構。 柱面中的資料分配單元是塊，通常大小為 4K。

圖 1： EXT 檔案系統中的柱面組的結構

柱面組中的第一個塊是一個超級塊superblock，它包含了元資料，定義了其它檔案系統的結構並將其定位於物理硬碟的具體分割槽上。分割槽中有一些柱面組還會有備用超級塊，但並不是所有的柱面組都有。我們可以使用例如 dd 等磁碟工具來拷貝備用超級塊的內容到主超級塊上，以達到修復損壞的超級塊的目的。雖然這種情況不會經常發生，但是在幾年前我的一個超級塊損壞了，我就是用這種方法來修復的。幸好，我很有先見之明地使用了 dumpe2fs 命令來備份了我的系統上的分割槽描述符資訊。

以下是 dumpe2fs 命令的一部分輸出。這部分輸出主要是超級塊上包含的一些元資料，同時也是檔案系統上的前兩個柱面組的資料。

# dumpe2fs /dev/sda1

Filesystem volume name:   boot

Last mounted on:          /boot

Filesystem UUID:          79fc5ed8-5bbc-4dfe-8359-b7b36be6eed3

Filesystem magic number:  0xEF53

Filesystem revision#:    1 (dynamic)

Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent64bitflex_bg sparse_super large_file huge_file dir nlink extra_isize

Filesystem flags:         signed_directory_hash

Defaultmount options:    user_xattr acl

Filesystem state:         clean

Errors behavior:          Continue

Filesystem OS type:       Linux

Inode count:              122160

Block count:              488192

Reserved block count:     24409

Free blocks:              376512

Free inodes:              121690

First block:              0

Block size:               4096

Fragment size:            4096

Group descriptor size:    64

Reserved GDT blocks:      238

Blocks per group:         32768

Fragments per group:      32768

Inodes per group:         8144

Inode blocks per group:   509

Flex block group size:    16

Filesystem created:       Tue Feb709:33:342017

Last mount time:          Sat Apr2921:42:012017

Last write time:          Sat Apr2921:42:012017

Mount count:              25

Maximum mount count:      -1

Last checked:             Tue Feb709:33:342017

Check interval:           0(<none>)

Lifetime writes:          594MB

Reserved blocks uid:      0(user root)

Reserved blocks gid:      0(group root)

First inode:              11

Inode size:               256

Required extra isize:     32

Desired extra isize:      32

Journal inode:            8

Defaultdirectory hash:   half_md4

Directory Hash Seed:      c780bac9-d4bf-4f35-b695

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