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【Note】《深入理解Linux内核》第十八章：深入理解 ext2 与 ext3 文件系统

news 2025/7/6 9:02:17

《深入理解Linux内核》第十八章：深入理解 ext2 与 ext3 文件系统

关键词：ext2、ext3、inode、超级块、块组、目录项、日志、文件块映射、文件系统挂载、文件系统操作接口、VFS挂钩

一、背景与简介

1.1 ext2 简介

ext2（第二扩展文件系统）是 Linux 长期使用的经典文件系统，拥有：

简单高效的设计；
灵活的元数据结构；
良好的性能。

ext2 由于不支持日志机制，在非正常断电情况下存在一致性问题。

1.2 ext3 简介

ext3 是 ext2 的直接扩展：

增加日志（journaling）功能；
提高文件系统一致性；
保持与 ext2 完全兼容（可以直接挂载为 ext2）；
三种日志模式：journal、ordered（默认）、writeback。

二、磁盘结构布局

ext2/ext3 文件系统的磁盘结构分为若干块组（block group），每组包含以下信息：

Superblock
|
+-- Block Group Descriptors|+-- Block Bitmap+-- Inode Bitmap+-- Inode Table+-- Data Blocks

2.1 超级块（Superblock）

每个ext2/ext3文件系统都以一个超级块开始，包含整个文件系统的全局信息。

struct ext2_super_block {__u32 s_inodes_count;__u32 s_blocks_count;__u32 s_free_blocks_count;__u32 s_first_data_block;__u32 s_log_block_size;...
};

关键字段：

总 inode / block 数量；
空闲块/空闲 inode；
每块大小（通过 s_log_block_size 计算）；
魔数验证（0xEF53）；

2.2 块组描述符（Group Descriptor）

描述每个块组的结构布局：

struct ext2_group_desc {__u32 bg_block_bitmap;__u32 bg_inode_bitmap;__u32 bg_inode_table;__u16 bg_free_blocks_count;...
};

2.3 inode 表与数据块

每个块组有一个 inode 表（array of inodes）和 bitmap：

inode bitmap：标记当前组中哪些 inode 被占用；
block bitmap：标记数据块使用状态；
inode table：真正的 inode 存储区；
数据块区：实际内容所在。

三、inode 与文件结构

3.1 inode 结构

每个文件或目录由一个 inode 表示：

struct ext2_inode {__u16 i_mode;__u16 i_uid;__u32 i_size;__u32 i_blocks;__u32 i_block[15];  // 数据块地址数组...
};

关键字段：

i_mode：文件类型与权限；
i_uid / i_gid：所有者信息；
i_size：文件大小；
i_block：最多可直接寻址12个块；
- i_block[12]：一级间接块；
- i_block[13]：二级间接；
- i_block[14]：三级间接；

3.2 文件内容寻址

基于 inode 中的 i_block[]：

小文件（< 48KB）：直接块（12个）；
中等文件（48KB～4MB）：一级间接；
大文件（4MB～数百MB）：二级、三级间接；
使用块缓存+缓冲区头缓存加速访问。

四、目录实现

4.1 ext2 目录项结构

struct ext2_dir_entry {__u32 inode;__u16 rec_len;__u8 name_len;__u8 file_type;char name[EXT2_NAME_LEN];
};

说明：

inode：文件 inode 编号；
rec_len：目录项实际长度；
name_len：文件名长度；
name：实际文件名；

4.2 目录遍历机制

线性结构；
不排序；
查找复杂度 O(n)；
新版（ext3/ext4）引入 HTree 改进目录查找效率。

五、ext3 日志机制（Journaling）

5.1 为什么需要日志

ext2 文件系统在写操作崩溃时可能导致元数据损坏，需要使用 fsck 工具修复，代价高昂。

ext3 通过将元数据写入日志区，再写入真实数据区，实现原子性。

5.2 ext3 日志格式

日志在文件系统中作为一个特殊 inode 管理；
日志项包括：
- transaction ID
- block number
- commit records
日志使用循环缓冲结构。

5.3 日志模式

journal：数据和元数据都写入日志；
ordered：先写数据再写元数据（默认）；
writeback：无顺序保证，性能最高，安全性最低。

5.4 日志恢复

挂载文件系统时，ext3 会自动检查日志区域并进行回滚或提交。

六、挂载流程

ext3_fill_super()└── ext3_get_sb()└── mount_bdev()└── get_sb_bdev()└── fill_super()└── ext3_setup_super()

关键点：

检查超级块魔数；
分配 super_block/inode 结构；
初始化缓存；
挂载点结构挂接到 VFS。

七、VFS 与 ext2/ext3 接口挂钩

7.1 注册文件系统

register_filesystem(&ext3_fs_type);

ext3 提供以下方法集：

struct file_system_type ext3_fs_type = {.name = "ext3",.mount = ext3_mount,.kill_sb = kill_block_super,
};

7.2 inode 操作集

struct inode_operations ext3_dir_inode_operations = {.lookup = ext3_lookup,.create = ext3_create,.unlink = ext3_unlink,...
};

7.3 file_operations

针对普通文件：

struct file_operations ext3_file_operations = {.read_iter = generic_file_read_iter,.write_iter = generic_file_write_iter,.fsync = ext3_fsync,
};

八、性能与限制

8.1 ext2/ext3 的优点

简洁稳定；
支持大文件；
写入性能优秀；
ext3 日志机制显著提升可靠性。

8.2 缺点

不支持延迟分配；
inode 静态分配；
ext2 无日志机制；
ext3 不支持动态元数据扩展（如 inode 数目）；
ext3 性能与功能逐渐落后于 ext4、XFS、Btrfs。

九、调试与用户工具

tune2fs：调整参数（日志模式等）；
fsck.ext2/ext3：文件系统检查；
dumpe2fs：查看文件系统内部结构；
debugfs：文件系统调试工具；
/proc/fs/ext3/：内核态调试信息导出接口；

十、源码路径参考

路径	说明
`fs/ext2/`	ext2 文件系统实现
`fs/ext3/`	ext3 文件系统实现
`include/linux/ext2_fs.h`	结构定义（超级块、inode）
`fs/ext3/super.c`	挂载、卸载、日志挂钩
`fs/ext3/inode.c`	inode 读写、写回逻辑
`fs/ext3/dir.c`	目录项处理
`fs/ext3/balloc.c`	块分配逻辑