Linux内核文件系统-ext2文件系统-内存数据结构-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/chenxiaosongcsdn/article/details/145622909

一般的Linux书籍都是先讲解进程和内存相关的知识，但我想先讲解文件系统。

第一，因为我就是做文件系统的，更擅长这一块，其他模块的内容我还要再去好好看看书，毕竟不能误人子弟嘛；第二，是

因为文件系统模块更接近于用户态，是相对比较好理解的内容（当然想深入还是要下大功夫的），由文件系统入手比较适合初学者。

英文全称Extended file system，翻译为扩展文件系统。Linux内核最开始用的是minix文件系统，直到1992年4月，Rémy Card开发了ext文件系统，采用Unix文件系统（UFS）的元数据结构，在linux内核0.96c版中引入。设计上参考了BSD的快速文件系统（Fast File System，简称FFS）。1993年1月0.99版本中ext2合入内核， 2001年11月2.4.15版本中ext3合入内核，2006年10月10日2.6.19版本中ext4合入内核。

超级块

VFS的struct super_block中的s_fs_info指向struct ext2_sb_info类型的结构:

/*
 * 第二扩展文件系统的内存中超级块数据 */
 */
struct ext2_sb_info {
        unsigned long s_inodes_per_block;/* 每个块的 inode 数量 */
        unsigned long s_blocks_per_group;/* 每组中的块数 */
        unsigned long s_inodes_per_group;/* 每组中的 inode 数量 */
        unsigned long s_itb_per_group;  /* 每组的 inode 表块数 */
        unsigned long s_gdb_count;      /* 组描述符块的数量 */
        // 组描述符的个数，可以放在一个块中
        unsigned long s_desc_per_block; /* 每个块的组描述符数量 */
        unsigned long s_groups_count;   /* 文件系统中的组数 */
        unsigned long s_overhead_last;  /* 最近一次计算的开销 */
        unsigned long s_blocks_last;    /* 最近一次看到的块数 */
        // 包含磁盘超级块的缓冲区的缓冲区头
        struct buffer_head * s_sbh;     /* 包含超级块的缓冲区 */
        // 指向磁盘超级块所在的缓冲区
        struct ext2_super_block * s_es; /* 指向缓冲区中超级块的指针 */
        // 指向一个缓冲区（包含组描述符的缓冲区）首部数组
        struct buffer_head ** s_group_desc;
        unsigned long  s_mount_opt;
        unsigned long s_sb_block;
        kuid_t s_resuid;
        kgid_t s_resgid;
        unsigned short s_mount_state;
        unsigned short s_pad;
        int s_addr_per_block_bits;
        int s_desc_per_block_bits;
        int s_inode_size;
        int s_first_ino;
        spinlock_t s_next_gen_lock;
        u32 s_next_generation;
        unsigned long s_dir_count;
        u8 *s_debts;
        struct percpu_counter s_freeblocks_counter;
        struct percpu_counter s_freeinodes_counter;
        struct percpu_counter s_dirs_counter;
        struct blockgroup_lock *s_blockgroup_lock;
        /* 每个文件系统预留窗口树的根 */
        spinlock_t s_rsv_window_lock;
        struct rb_root s_rsv_window_root; // ext2_reserve_window_node的所有实例
        struct ext2_reserve_window_node s_rsv_window_head;
        /*
         * s_lock 保护 s_mount_state、s_blocks_last、s_overhead_last 和由 sbi->s_es 指向的
         * 超级块缓冲区内容的并发修改。
         *
         * 注意: 在 ext2_show_options() 中使用它来提供挂载选项的一致视图。
         */
        spinlock_t s_lock;
        struct mb_cache *s_ea_block_cache;
        struct dax_device *s_daxdev;
        u64 s_dax_part_off;
};

各个数据结构之间的关系如下图:

                                   ext2 partition
                                       +-------+----------+----------+----------+
                                       | super |group     |group     |group     |
                                       | block |descriptor|descriptor|descriptor|
                                       +-------+----------+----------+----------+
                                           ^         ^          ^            ^
                                           |         |          |            |
                                           |         +------+   +--------+   +----------+
                                           |                |            |              |
                                     +-----------+     +-----------+ +-----------+ +-----------+
 +---------------------+             |  buffer   |     |  buffer   | |  buffer   | |  buffer   |
 |   super_block       |        +--->+-----------+     +-----------+ +-----------+ +-----------+
 |                     |        |         ^                 ^             ^             ^
 |   .s_fs_info        |        |         |b_data           |b_data       |b_data       |b_data
 | +--------------+----|--s_es--+         |                 |             |             |  
 | | ext2_sb_info |----|----s_sbh--->+-----------+    +-----------------------------------------+
 | +--------------+    |             |buffer_head|    |+-----------+ +-----------+ +-----------+|
 |           |         |             +-----------+    ||buffer_head| |buffer_head| |buffer_head||
 +---------------------+                              |+-----------+ +-----------+ +-----------+|
             |                                        +-----------------------------------------+
          s_group_desc                                              ^
             |                                                      |
             +------------------------------------------------------+

挂载时struct file_system_type ext2_fs_type的ext2_mount()方法再执行到ext2_fill_super()从磁盘读取超级块。

ext2超级块的操作实现是struct super_operations ext2_sops。

索引节点

/*
 * 第二扩展文件系统在内存中的 inode 数据
 */
struct ext2_inode_info {
        __le32  i_data[15];
        __u32   i_flags;
        __u32   i_faddr;
        __u8    i_frag_no;
        __u8    i_frag_size;
        __u16   i_state;
        __u32   i_file_acl;
        __u32   i_dir_acl;
        __u32   i_dtime;

        /*
         * i_block_group 是包含此文件 inode 的块组的编号。
         * 在 inode 的整个生命周期中保持不变，它用于进行块分配决策 - 
         * 我们试图将文件的数据块放置在其 inode 块附近，并将新的 inode 放置在其父目录的 inode 附近。
         */
        __u32   i_block_group;

        /* 块预读 */
        struct ext2_block_alloc_info *i_block_alloc_info;

        __u32   i_dir_start_lookup;
#ifdef CONFIG_EXT2_FS_XATTR
        /*
         * 扩展属性可以独立于主文件数据进行读取。即使在读取时也获取 i_mutex 会导致扩展属性的读取者和常规文件数据的写入者之间产生竞争，
         * 因此我们在读取或更改扩展属性时，会改为在 xattr_sem 上进行同步。
         */
        struct rw_semaphore xattr_sem;
#endif
        rwlock_t i_meta_lock;

        /*
         * truncate_mutex 用于将 ext2_truncate() 与 ext2_getblock() 串行化。
         * 它还保护 inode 的预留数据结构的内部: ext2_reserve_window 和
         * ext2_reserve_window_node。
         */
        struct mutex truncate_mutex;
        struct inode    vfs_inode;      // 虚拟文件系统的索引节点
        struct list_head i_orphan;      /* 已解除链接但仍打开的 inodes */
#ifdef CONFIG_QUOTA
        struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];
#endif
};

struct ext2_block_alloc_info {                                                   
        /* 预留窗口信息 */                               
        struct ext2_reserve_window_node rsv_window_node;                         
        /*                                                                       
         * 是曾经 ext2_inode_info 结构中的 i_next_alloc_block 
         * 是文件中最近分配的块的逻辑（文件相对）编号。
         * 我们用这个来检测线性递增的分配请求。
         */                                                                      
        __u32                   last_alloc_logical_block;                        
        /*                                                                       
         * 曾是 ext2_inode_info 结构中的 i_next_alloc_goal                              
         * 是 i_next_alloc_block 的物理对应项。它是最近分配给该文件的块的物理块编号。
         * 当我们检测到线性递增的请求时，这为我们提供了下一次分配的目标。
         */                                                                      
        ext2_fsblk_t            last_alloc_physical_block;                       
};

struct ext2_reserve_window_node {                       
        struct rb_node          rsv_node;               
        __u32                   rsv_goal_size;      // 预留窗口的预期长度, 最大为 EXT2_MAX_RESERVE_BLOCKS
        __u32                   rsv_alloc_hit;      // 预分配的命中数
        struct ext2_reserve_window      rsv_window; // 预留窗口
};

由struct super_operations ext2_sops的ext2_alloc_inode()分配索引节点对象。

ext2索引节点操作实现:

常规文件: struct inode_operations ext2_file_inode_operations
目录: struct inode_operations ext2_dir_inode_operations
快速符号链接（路径名小于60字节）: struct inode_operations ext2_fast_symlink_inode_operations
普通符号链接（路径名大于60字节）: struct inode_operations ext2_symlink_inode_operations

ext2_inode_info->vfs_inode->i_mapping->a_ops的实现是ext2_aops和ext2_dax_aops（DAX，Direct Access，允许文件系统直接访问持久性内存（如非易失性内存，NVDIMM）上的数据，而无需经过缓存。这可以显著提高I/O性能，特别是在读取和写入小文件时）。