Linux下ext2文件系统

一 🐧基本概述

ext2（Second Extended File System）是Linux操作系统中经典的文件系统类型之一，它在早期的Linux系统中被广泛使用，为文件和目录在磁盘等存储介质上的存储、管理以及访问提供了一套完善的机制。

二 ⭐️ ext2文件系统

Linux ext2文件系统，磁盘文件系统图

⭐️​ 1. ⭐️​Boot Block（引导块）

一个分区至少含有一个Boot Block（引导块),其它为Block Group.

位置与作用

Boot Block通常位于磁盘分区的最开始部分，也就是在整个ext2文件系统所在磁盘分区的起始位置，在超级块（Super Block）之前。它主要用于存放引导程序相关的代码和数据，起着引导操作系统启动的关键作用。

当计算机开机启动时，BIOS（基本输入输出系统）会首先执行硬件自检等初始化操作，之后它会按照预设的启动顺序去查找可引导的设备（比如硬盘）。一旦找到硬盘，BIOS就会将硬盘分区开头处的Boot Block加载到内存中，并将控制权转交给其中的引导程序代码。这个引导程序随后会进一步引导操作系统内核进行加载、初始化等后续启动流程，从而让整个计算机系统正常运转起来。

三 Block Group(块组)

ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。
位于Linux/fs/ext2/ext2.h下

⭐️​1.⭐️​ Super Block(超级块)

存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息

// 定义ext2文件系统的超级块结构体
struct ext2_super_block {
    // 以下是文件系统中inode（索引节点）的总数
    __le32 s_inodes_count;        /* Inodes count */

    // 文件系统中总的块（Blocks）数量，用于衡量磁盘分区存储容量大小（以块为单位）
    __le32 s_blocks_count;        /* Blocks count */

    // 文件系统中当前空闲的块（Blocks）数量，操作系统可据此知晓还有多少块可用于分配给新文件等操作
    __le32 s_free_blocks_count;   /* Free blocks count */

    // 文件系统中当前空闲的inode（索引节点）数量，用于判断是否还能创建新的文件或目录等（每个文件/目录需对应一个inode）
    __le32 s_free_inodes_count;   /* Free inodes count */

    // 以2为底的对数形式表示块（Block）大小，例如，若值为10，则块大小为2^10 = 1024字节，用于确定数据存储基本单元的大小
    __le32 s_log_block_size;      /* Block size */
	..........
	..........
	.........
};

⭐️​2.⭐️​ Group Descriptor（块组描述符）

块组描述符就像是块组的 “管家”，它详细记录了本块组内各种资源（如数据块、inode 等）的使用情况以及关键结构（位图、表等）的位置信息，操作系统在对块组进行操作管理时，首先会读取块组描述符来获取这些基础信息，以便做出合理的资源分配决策等。

struct ext2_group_desc {
    // 本块组内数据块（Blocks）位图所在的块号，通过这个块号可以定位到块位图（Block Bitmap），
    __le32 bg_block_bitmap;        /* Blocks bitmap block */

    // 本块组内inode（索引节点）位图所在的块号，据此能找到inode位图（inode Bitmap），
    __le32 bg_inode_bitmap;        /* Inodes bitmap block */

    // 本块组内inode表（Inodes table）所在的块号，通过这个块号可以定位到inode表，
    __le32 bg_inode_table;         /* Inodes table block */

    // 本块组内当前空闲的数据块（Blocks）数量统计，操作系统可以据此快速了解当前块组还有多少数据块可供分配，
    __le16 bg_free_blocks_count;   /* Free blocks count */

    // 本块组内当前空闲的inode（索引节点）数量统计，结合块组内总的inode数量以及已使用的情况，。
    __le16 bg_free_inodes_count;   /* Free inodes count */

    // 本块组内已使用的目录（Directories）数量统计，记录了该块组中包含的目录个数，
    __le16 bg_used_dirs_count;     /* Directories count */
	......
	......
	......
};

⭐️​3. ⭐️Block Bitmap（​块位图）

Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用

• 🌹它采用二进制位（bit）来表示每个数据块的使用状态。具体而言，块位图中的每一位都与块组内的一个具体数据块相对应，其中：
• • 🌹如果某一位的值为 1，则表示对应的那个数据块已经被占用，即该数据块正在被某个文件用来存储数据内容，不可再分配给其他文件使用。
• • 🌹如果某一位的值为 0，则意味着对应的那个数据块目前处于空闲状态，可供后续创建的文件分配使用，文件系统在为新文件分配磁盘空间时，就会查找这些值为 0 的位对应的空闲数据块进行分配。

⭐️​4. ⭐️ inode Bitmap（inode位图）

使得文件系统能够快速知晓哪些 inode 是空闲的、可分配给新创建的文件或目录使用，哪些 inode 已经被占用，正用于记录已有文件或目录的属性信息等。

• 🌹采用二进制位（bit）来呈现每个 inode 的使用状态。具体来说，inode 位图中的每一位都与块组内的一个具体 inode 相对应，其中：
• • 🌹 如果某一位的值为 1，则表示对应的那个 inode 已经被占用，意味着该 inode 已被分配给某个文件或目录，用于记录诸如文件权限、所有者、大小以及指向数据块的指针等属性信息，不可再分配给其他文件或目录使用了。
• • 🌹 如果某一位的值为 0，则代表对应的那个 inode 目前处于空闲状态，可供后续创建的文件或目录分配使用。例如，当需要创建一个新文件时，文件系统会扫描 inode 位图，查找值为 0 的位对应的空闲 inode，然后将其分配给新文件，并更新该位为 1，以标记此 inode 已被占用。

⭐️​5. ⭐️inode table（inode 表)

inode 表（inode table）是 ext2 文件系统中每个块组（Block Group）内用于存放该块组内所有文件和目录对应的 inode（索引节点）的区域。
inode 表本质上是由一系列连续存储的 ext2_inode 结构体组成的数组，每个 ext2_inode 结构体对应一个文件或目录。

struct ext2_inode {
    // 文件模式，用于表示文件的类型（如普通文件、目录、符号链接等）以及相应的权限设置（可读、可写、可执行等权限），
    __le16 i_mode;                /* File mode */

    // 文件所有者的用户ID（uid）的低16位，用于标识该文件所属的用户，与系统的用户管理机制相结合，
    __le16 i_uid;                 /* Low 16 bits of Owner Uid */

    // 文件的大小，以字节为单位，明确了该文件所包含的数据量大小，这对于文件读写操作时确定读取或写入的范围等操作很关键，
    __le32 i_size;                /* Size in bytes */

    // 文件最后一次被访问的时间，以时间戳的形式记录，便于系统统计文件的使用活跃度、了解文件的访问历史，
    __le32 i_atime;               /* Access time */

    // 文件的创建时间，记录文件在文件系统中最初生成的时间点，对于追踪文件的来源、了解文件系统的历史变更等方面有一定帮助，
    __le32 i_ctime;               /* Creation time */
	.....
	.....
	.....   
};

⭐️​6. ⭐️ DataBlocks(数据区）

🌝实际存放的内容

1. 🌝普通文件的数据内容
   对于普通文件来说，数据块区存放的就是文件所包含的实际数据。例如：

   • 🌹文本文件：像 .txt 文件，其包含的文字字符信息会按照一定的编码方式（如 ASCII、UTF-8 等）依次存放在数据块中。比如一个简单的文本文件内容为 “Hello, world!”，这些字符对应的二进制编码就会被顺序存储在某个或某些数据块里。

2. 🌝 目录文件的数据内容
   目录在 ext2 文件系统中也是一种特殊的文件，其数据块区存放的是目录项（Directory Entry）信息。每个目录项主要包含两部分关键内容：

   • 🌹文件名：记录了该目录下包含的文件或子目录的名称，
   • 🌹对应 inode 编号：通过文件名关联其对应的 inode 编号，以此建立起从文件名到文件实际属性和数据存储位置（通过 inode 去查找）的映射关系。

🌝存放的大小

1. 🌹数据块大小设定
   数据块区中数据块的大小是在文件系统创建（格式化磁盘分区时）被设定的，常见的规格有 1024 字节（1KB）、2048 字节（2KB）、4096 字节（4KB）等 一般为4KB）。

2. 🌹文件数据占用数据块数量及大小情况

   • 小文件：如果一个文件的数据量小于设定的数据块大小，那么该文件的数据只占用一个数据块，这个数据块剩余的空间暂时处于未使用状态（但在文件系统层面仍将整个数据块视为被该文件占用）
   • 大文件：对于数据量较大的文件，会根据文件系统采用的分配算法（如连续分配、链式分配、索引分配等，前面已介绍过）占用多个数据块。