转 ext文件系统及块组

一、文件系统概述

1. 引导块

前文中介绍过磁盘需要进行分区和格式化，才能创建文件系统并使用，那么一块已经被各式化了分区其结构是什么样的呢？分区是按照柱面来划分的，而柱面包含的是磁道，磁道上包含的是扇区，一个分区上的前两个扇区（512 bytes * 2 = 1024 bytes）为引导块（Boot block），其作用为引导当前分区上的操作系统（与之相对的MBR是引导整个磁盘上的操作系统的，即指定启动哪一个分区上的操作系统），当然如果一块磁盘上只装了一个操作系统，那么Boot block并无太大意义，可能不被使用。除掉引导块，该分区剩余部分将被用来存放数据。

2. 索引

设想一下，如果一个目录下随意存放了10000个文件，而另一个目录下按照字母顺序，新建了10个目录，将10000个文件分别按字母放进不同的目录，并为其建立了索引，那么要找到具体某一个文件，必然是建立了索引的目录其检索速度更快。而索引的建立方式可以是多种多样的，比如按字母升序、字母降序、创建时间等等，不同的索引组织方式，就形成了不同的文件系统，但不论索引组织方式如何变化，其最终目的都是帮助用户实现按照文件名找到具体的文件。

针对不同的应用场景，文件系统的选择必然是不同的，比如有的文件系统需要让用户频繁的进行目录或文件的创建、删除、移动等操作，那么ext系列的文件系统是不错的选择；而有些服务器被当做数据库来使用，而数据库本身要不断的创建数据、更新数据、备份数据、扩展文件大小等等，其使用方式和普通用户的交互式使用是不同的，那么xfs这种文件系统会更加合适。至于如何选择合适的文件系统，需要根据实际生产环境来加以评估。

二、ext文件系统

1. 磁盘块

在文件系统中，索引通常位于磁盘块的首部，索引中存放了文件所在的条目信息。磁盘通过移动磁头、旋转盘片来定位到具体的扇区上，从而完成随机存取，而为了便于查找和管理，需要对扇区重新编号，按某种特定的逻辑结构进行排列，这个逻辑结构即为磁盘块。前文在介绍格式化时曾提到过为分区指定块大小，如1024 bytes, 2048bytes等，这个块大小指的就是磁盘块的大小。那么如果一个文件的大小为3k，而磁盘块大小为1024 bytes，那么就需要3个磁盘块来存放这个文件。这些磁盘块有自身的编号，所以要查找该文件的位置，只需要根据索引中记录的块编号，定位到具体的块上即可。索引中记录的这些条目信息（如文件对应的磁盘块指针、磁盘块二级指针、磁盘块三级指针、三个时间戳、大小、权限、属组属主等等，注意文件名不在此处存放），和文件本身的内容并无关系。因此，改变一个文件内容，实际是改变的磁盘块信息，而改变文件属性信息，是改变的文件的索引信息。

2. inode

索引中每一个文件的条目也自身的编号，这种编号称为inode（index node）号，故查找某一个文件，首先要找到该文件的inode号。

如果一个文件大小为3k，那么只需要3个1024 bytes的磁盘块来存放它；但如果一个文件有3G，那么就需要3 * 2^20个磁盘块来存放该文件，与之对应的，索引中的文件条目也需要保存这 3 * 2^20个磁盘块的信息，这将导致该条目无比巨大，这当然是不允许的。那么有没有方法能够压缩条目的大小呢？答案是一定的，我们可以采用层次化的方式来存放数据。比如将磁盘块所在的位置划分为一个个区域，如第1个区域有1000个磁盘块，第2个区域有3000个磁盘块，第3个区域有10000个区域......而将某一个区域作为一个整体来存放某一个文件，条目中建立具体的磁盘块指针（对应小文件，指向具体的磁盘块）、二级指针或三级指针（对应大文件，指向某一区域），这样就能大大减小索引条目的大小。当然建立二级指针或三级指针并不表示文件可以无限大，因为二级、三级指针也会受到索引条目大小的限制，故早期的ext2系列的文件系统，一个文件不能超过16 TB。

3.文件的路径映射

如果要查找某一个具体的文件，指定查找位置为/根目录，和指定/var/log目录，其查找范围截然不同，故查找效率也很不一样。因此目录实际上是一个文件的查找路径的映射。我们知道在Linux系统中，目录也是文件，既然是文件，那么它就会在索引中建立相应的条目，在具体的磁盘块上保存数据。前面提到过，索引中不保存文件名，其实文件名和相应的inode号都保存在目录中。

我们查看某个目录下的文件信息，会发现目录的大小要比普通文件的大小小很多，这是由于这个大小只是目录本身的大小，而非目录下的文件的大小。

比如要查找/var/log/messages这个文件，那么其查找过程如下：

①查找到/根目录（根目录是自查找文件），获取根目录中/var的文件名及对应的inode号，

根据/下查找到的inode号找到对应的索引中/var的inode号

②根据该条目找到具体保存/var文件信息的磁盘块，在该磁盘块上找到/var/log的文件名及其对应的inode号

③根据/var/log的inode号找到对应的索引中/var/log的条目，根据该条目找到具体保存/var/log文件信息的磁盘块

④在该磁盘块上找到/var/log/messages的文件名及其对应的inode号

⑤根据/var/log/messages的inode号找到对应的索引中/var/log/messages的条目

⑥根据该条目找到具体保存/var/log/messages文件信息的磁盘块

由此可以看出，一旦某个目录被删除了，那么目录中的文件就找不到了。

4. ext文件系统的扩展属性

之前使用ls -l 命令可以列出文件的详细信息，事实上，使用lsattr命令可以列出文件的扩展属性：

[root@localhost tutor]# lsattr

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-------------e- ./memory1.sh # 这里某个属性如果没有启用，就使用“-”表示，启用了就显示相关属性 -------------e- ./blank_line.sh -------------e- ./if_cup.sh -------------e- ./if_even_odd.sh -------------e- ./if_cpu1.sh -------------e- ./if_user3.sh -------------e- ./3sum.sh -------------e- ./version.sh -------------e- ./abc -------------e- ./inittab

命令lsattr是用来显示属性信息的，此外还有一个chattr命令，可以用来修改属信息：

[root@localhost tutor]# man chattr

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

——————————————运行结果———————————————— CHATTR(1)                                     CHATTR(1)    NAME        chattr - change file attributes on a Linux file system    SYNOPSIS        chattr [ -RVf ] [ -v version ] [ mode ] files...    DESCRIPTION        chattr changes the file attributes on a Linux file system.           The format of a symbolic mode is +-=[acdeijstuADST]. # 这里可以增删的属性为中括号中所列举的内容： [acdeijstuADST]，使用 + - 可以增删属性 The  letters  acdeijstuADST select the new attributes for the files: append only (a), compressed (c), no dump (d), extent format (e), immutable (i), data journalling  (j),  secure deletion (s), no tail-merging (t), undeletable (u), no atime updates (A), synchronous directory updates (D), synchronous updates (S), and top of directory hierarchy (T). # 常用属性有： # i：只读属性； # a：只允许增添内容； # A：任何时候访问文件都不会改变文件的访问时间戳 # c：保存文件时自动压缩文件

[root@localhost tutor]# chattr +i inittab

# 为inittab这个文件加上i属性

[root@localhost tutor]# lsattr

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-------------e- ./memory1.sh -------------e- ./blank_line.sh -------------e- ./if_cup.sh -------------e- ./if_even_odd.sh -------------e- ./if_cpu1.sh -------------e- ./if_user3.sh -------------e- ./3sum.sh -------------e- ./version.sh -------------e- ./abc ----i--------e- ./inittab # 可以看到 inittab文件已经具备i属性了

[root@localhost tutor]# vim inittab

# 编辑此文件，会发现inittab变成了只读文件，可见i属性为设置只读属性

[root@localhost tutor]# mv inittab inittab_1

1 2	mv: cannot move `inittab' to `inittab_1': Operation not permitted # 有了i属性后，无法移动或修改文件名

[root@localhost tutor]# rm inittab

1 2 3

rm: remove regular file `inittab'? y rm: cannot remove `inittab': Operation not permitted # 也无法删除该文件

三、块组（block group）

上述过程描述的是文件查找的过程，那么文件创建过程又是怎样的呢？

首先需要在索引中创建一个inode号，然后在磁盘上创建一个或多个磁盘块以备数据的存储。现在的问题是如何确定哪一个inode和哪一个磁盘块是空闲的？可以扫描整个inode表和整个磁盘空间，但是可以想象这样做的效率是极其低下的。为了避免全表扫描，可以建立一个位图（bit map），让每一个inode对应一个位，每一个磁盘块对应一个位，这样只需要分别扫描inode位图和块位图，找出其中没有被占用的位，即可确定空闲的inode和磁盘块了。当然位图也需要占用相应的磁盘空间。

如果磁盘上存储了海量数目的文件，即使用了扫描位图的方式，其效率仍然比较低下，因此可以将磁盘块按照逻辑结构划分为块组（block group），如将100万个磁盘块划分为每5万个磁盘块一组，这样整个磁盘就划分成了20个块组，每一个组都自我管理，每次只扫描其中的一个块组，一个组的磁盘空间不够用，也可以跨组，通过这种方式可以大大提高效率。这些组的划分规则和管理方式也需要相应的磁盘空间来存储。

1. 超级块（Super Block）

这里每一个块组内的磁盘块个数是相同的，而每一个组都是自我管理的；但是 Block Group 0（块组0）比较独特，它的第2个1024个字节所在的块被称为超级块（Super Block），这个块是用来保存该磁盘上所有的块组的信息的，即每一个组从哪一个块开始，到哪一个块结束等信息。因此一旦超级块坏掉了，其他所有块组的信息都无法读取了，因此超级块需要有很多备份，存放于其他块组中，但使用只使用块组0中的超级块，一旦坏了就从其他块组中找一个加以恢复。

2. 全局描述表（Group Description Table）

紧跟在super block后面的是GDT，表示全局描述表，也称为块组描述表（Group Description Table），通常说到表，其中存放的多半是结构化信息，GDT也不例外，它存放的是块位图（Block Bitmap）和 inode位图（Inode Bitmap），即哪些块是已用的，哪些块是空闲的；哪些inode是已用的，哪些inode是空闲的，这样的位图比整个磁盘的位图要小得多，故扫描效率会提高很多。而通过Inode表（Inode Table）就可以找到相应的磁盘块(Data Blocks) 。

超级块（Super Block）并不是每个块组都有，但GDT每个块组都有

3. 查看超级块和块组信息的相关命令

使用tune2fs -l这个命令可以显示组信息，其中-l选项就是用来显示超级块信息的。

[root@localhost tutor]# tune2fs -l /dev/sdb3

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46

tune2fs 1.41.12 (17-May-2010) Filesystem volume name:   MYDAT Last mounted on:          /mydata Filesystem UUID:          ead64b7a-80bd-4ad7-af3f-bece9a76e04c Filesystem magic number:  0xEF53 Filesystem revision #:    1 (dynamic) Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize Filesystem flags:         signed_directory_hash Default mount options:    (none) Filesystem state:         clean Errors behavior:          Continue Filesystem OS type:       Linux Inode count:              655872 Block count:              10490412 Reserved block count:     200000 Free blocks:              10286628 Free inodes:              655860 First block:              1 Block size:               1024 Fragment size:            1024 Reserved GDT blocks:      256 # 块组描述表（Group Description Table）的相关信息 Blocks per group:         8192 Fragments per group:      8192 Inodes per group:         512 Inode blocks per group:   128 Flex block group size:    16 Filesystem created:       Fri Jul 11 01:09:30 2014 Last mount time:          Fri Jul 11 13:35:43 2014 Last write time:          Fri Jul 11 13:35:43 2014 Mount count:              6 Maximum mount count:      37 Last checked:             Fri Jul 11 01:09:30 2014 Check interval:           15552000 (6 months) Next check after:         Wed Jan  7 00:09:30 2015 Lifetime writes:          193 MB Reserved blocks uid:      0 (user root) Reserved blocks gid:      0 (group root) First inode:              11 Inode size:               256 Required extra isize:     28 Desired extra isize:      28 Journal inode:            8 Default directory hash:   half_md4 Directory Hash Seed:      7cfc9fb6-e210-4e90-9482-6dc66b1a3e26 Journal backup:           inode blocks

可以使用dumpe2fs命令来查看超级块和块组的信息

[root@localhost tutor]# dumpe2fs /dev/sdb3 | less

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010) Filesystem volume name:   MYDAT Last mounted on:          /mydata Filesystem UUID:          ead64b7a-80bd-4ad7-af3f-bece9a76e04c Filesystem magic number:  0xEF53 Filesystem revision #:    1 (dynamic) Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize Filesystem flags:         signed_directory_hash Default mount options:    (none) Filesystem state:         clean Errors behavior:          Continue Filesystem OS type:       Linux Inode count:              655872 Block count:              10490412 Reserved block count:     200000 Free blocks:              10286628 Free inodes:              655860 First block:              1 Block size:               1024 Fragment size:            1024 Reserved GDT blocks:      256 Blocks per group:         8192 Fragments per group:      8192 Inodes per group:         512 Inode blocks per group:   128 Flex block group size:    16 Filesystem created:       Fri Jul 11 01:09:30 2014 Last mount time:          Fri Jul 11 13:35:43 2014 Block size:               1024 Fragment size:            1024 Reserved GDT blocks:      256 Blocks per group:         8192 Fragments per group:      8192 Inodes per group:         512 Inode blocks per group:   128 Group 0: (Blocks 1-8192) [ITABLE_ZEROED]   Checksum 0xf3e0, unused inodes 500   Primary superblock at 1, Group descriptors at 2-42   # 超级块在第一个块组上   Reserved GDT blocks at 43-298   # 有保留GDT的组在第43到298个上   Block bitmap at 299 (+298), Inode bitmap at 315 (+314)   # 块位图在第299个块上，inode位图在315个块上   Inode table at 331-458 (+330)   # inode表在第331到458个块上   5800 free blocks, 500 free inodes, 2 directories, 500 unused inodes   # 一个有5800个块，500个空闲inode，已经使用了2个目录，还有500个空闲的inode   Free blocks: 2393-8192   # 空闲块为第2393到8192个   Free inodes: 13-512   # 空闲inode为13到512个 Group 2: (Blocks 16385-24576) [INODE_UNINIT, BLOCK_UNINIT, ITABLE_ZEROED]           # 没有超级块的备份   Checksum 0x1592, unused inodes 512   Block bitmap at 301 (+4294951212), Inode bitmap at 317 (+4294951228)   Inode table at 587-714 (+4294951498)   8192 free blocks, 512 free inodes, 0 directories, 512 unused inodes   Free blocks: 16385-24576   Free inodes: 1025-1536 Group 3: (Blocks 24577-32768) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]   Checksum 0xfb42, unused inodes 512   Backup superblock at 24577, Group descriptors at 24578-24618       # 有超级块的备份，超级块的备份通常放在第3、5、7、9等块组上，一旦超级块坏了   # 可以复制备份进行恢复   Reserved GDT blocks at 24619-24874   Block bitmap at 302 (+4294943021), Inode bitmap at 318 (+4294943037)   Inode table at 715-842 (+4294943434)   7894 free blocks, 512 free inodes, 0 directories, 512 unused inodes   Free blocks: 24875-32768   Free inodes: 1537-2048

如果使用-h选项，可以只查看超级块信息

[root@localhost tutor]# dumpe2fs -h /dev/sdb3 |less

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010) Filesystem volume name:   MYDAT Last mounted on:          /mydata Filesystem UUID:          ead64b7a-80bd-4ad7-af3f-bece9a76e04c Filesystem magic number:  0xEF53 Filesystem revision #:    1 (dynamic) Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize Filesystem flags:         signed_directory_hash Default mount options:    (none) Filesystem state:         clean Errors behavior:          Continue Filesystem OS type:       Linux Inode count:              655872 Block count:              10490412 Reserved block count:     200000 Free blocks:              10286628 Free inodes:              655860 First block:              1 Block size:               1024 Fragment size:            1024 Reserved GDT blocks:      256 Blocks per group:         8192 Fragments per group:      8192 Fragments per group:      8192 Inodes per group:         512 Inode blocks per group:   128 Flex block group size:    16 Filesystem created:       Fri Jul 11 01:09:30 2014 Last mount time:          Fri Jul 11 13:35:43 2014 Last write time:          Fri Jul 11 13:35:43 2014 Mount count:              6 Maximum mount count:      37 Last checked:             Fri Jul 11 01:09:30 2014 Check interval:           15552000 (6 months) Next check after:         Wed Jan  7 00:09:30 2015 Lifetime writes:          193 MB Reserved blocks uid:      0 (user root) Reserved blocks gid:      0 (group root) First inode:              11 Inode size:               256 Required extra isize:     28 Desired extra isize:      28 Journal inode:            8 Default directory hash:   half_md4 Directory Hash Seed:      7cfc9fb6-e210-4e90-9482-6dc66b1a3e26 Journal backup:           inode blocks Journal features:         (none) Journal size:             32M Journal length:           32768 Journal sequence:         0x00000007 Journal start:            0

使用du，表示disk usage，命令可以查看每个文件的大小，它也可以显示某一个目录下所有文件组合起来的大小。

[root@localhost tutor]# du /var/log

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

# 这里显示的是/var/log目录下每个文件的块大小 4       /var/log/ntpstats 4       /var/log/httpd 12      /var/log/ConsoleKit 4       /var/log/prelink 4       /var/log/samba/old 8       /var/log/samba 4       /var/log/cups 4       /var/log/ppp 692     /var/log/audit 156     /var/log/gdm 1460    /var/log/sa 4       /var/log/sssd 7100    /var/log

如果使用-s选项，表示summary，可以显示目录里所有文件的总大小，如果再加上-h选项，表示human readable，就能显示出人比较易读的方式：

[root@localhost tutor]# du -s /var/log

1	7100    /var/log

[root@localhost tutor]# du -sh /var/log

1	7.0M    /var/log

如果想查看/var目录下每一个子目录，包括其中文件的大小，可以使用如下方式：

[root@localhost tutor]# du -sh /var/*

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

4.0K    /var/account 279M    /var/cache 4.0K    /var/crash 4.0K    /var/cvs 8.0K    /var/db 8.0K    /var/empty 4.0K    /var/games 4.0K    /var/gdm 77M     /var/lib 4.0K    /var/local 16K     /var/lock 7.0M    /var/log 0       /var/mail 4.0K    /var/nis 4.0K    /var/opt 4.0K    /var/preserve 356K    /var/run 120K    /var/spool 4.0K    /var/tmp 1.2M    /var/www 12K     /var/yp

使用df命令，表示disk free，可以用来显示磁盘空余空间量，其常用选项为-l，表示local，只显示本地文件系统，如果不加-l选项，可能会显示nfs的文件系统。注意，不论格式化的块大小是多少，该命令都显示为1k大小。

[root@localhost tutor]# df -l

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6 7

Filesystem                   1K-blocks    Used Available  Use%   Mounted on # 文件系统                    使用的单位  已用空间  可用空间  使用比例 挂载点  /dev/mapper/VolGroup-lv_root  23262376 4449116  17631564  21%    / tmpfs                           510172     120    510052   1%    /dev/shm /dev/sda1                       495844   34840    435404   8%    /boot /dev/sdb3                     10323251   36623  10086628   1%    /mydata /dev/sr0                           288     288         0 100%    /media/20140715_2041

该命令同样也能使用-h选项，转换成人们易读的形式：

[root@localhost tutor]# df -lh

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6

Filesystem                    Size  Used Avail Use% Mounted on /dev/mapper/VolGroup-lv_root   23G  4.3G   17G  21% / tmpfs                         499M  120K  499M   1% /dev/shm /dev/sda1                     485M   35M  426M   8% /boot /dev/sdb3                     9.9G   36M  9.7G   1% /mydata /dev/sr0                      288K  288K     0 100% /media/20140715_2041

使用-P选项，会显示成posix兼容的风格

[root@localhost tutor]# df -lP

——————————————运行结果————————————————

1 2 3 4 5 6

Filesystem                   1024-blocks    Used Available Capacity Mounted on /dev/mapper/VolGroup-lv_root    23262376 4449116  17631564      21% / tmpfs                             510172     120    510052       1% /dev/shm /dev/sda1                         495844   34840    435404       8% /boot /dev/sdb3                       10323251   36623  10086628       1% /mydata /dev/sr0                             288     288         0     100% /media/20140715_2041

使用 -i 选项，则显示的是inode的使用信息而非块信息

[root@localhost tutor]# df -li

——————————————运行结果————————————————

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Filesystem                    Inodes  IUsed   IFree IUse% Mounted on /dev/mapper/VolGroup-lv_root 1479856 129332 1350524    9% / tmpfs                         127543      5  127538    1% /dev/shm /dev/sda1                     128016     38  127978    1% /boot /dev/sdb3                     655872     12  655860    1% /mydata /dev/sr0                           0      0       0     - /media/20140715_2041

如果该命令带上具体路径，则可以只显示单个文件系统的信息：

[root@localhost tutor]# df -l /dev/sdb3

1 2	Filesystem     1K-blocks  Used Available Use% Mounted on /dev/sdb3       10323251 36623  10086628   1% /mydata