Ext4文件系统架构分析（一）

• 本文描述Ext4 文件系统磁盘布局和元数据的一些分析，同样适用于ext2,ext3文件系统，除了它们不支持的ext4的特性。整个分析分两篇博文，分别概述布局和详细介绍各个布局的数据结构及组织寻址方式等。

1.Ext4 文件系统布局综述

一个Ext4 文件系统被分成一系列块组。为减少磁盘碎片产生性能瓶颈，块分配器尽量保持每个文件的数据块都在同一个块组中，从而减少寻道时间。以4KB的数据块为例，一个块组可以包含32768个数据块，也就是128MB。

1.1 磁盘布局

Ext4 文件系统的标准磁盘布局如下：

• Ext4文件系统主要使用块组0中的超级块和块组描述符表，在其他一些特定的块组中有超级块和块组描述符表的冗余备份。如果块组中不含冗余备份，那么块组就以数据块位图开始。当格式化磁盘成为ext4 文件系统的时候，mkfs 将在块组描述符表后面分配预留GDT表数据块（“Reverse GDT blocks”）以用来将来扩展文件系统。紧接在预留GDT表数据块后的是数据块位图与inode表位图，这两个位图分别表示本块组内的数据块与inode表的使用，inode表数据块之后就是存储文件的数据块了。在这些各种各样的块中超级块，GDT，块位图、inode位图都是整个文件系统的元数据，当然inode表也是文件系统的元数据，但是inode表是与文件一一对应的，我更倾向于将inode当做文件的元数据，因为在实际格式化文件系统的时候，除了已经使用的十来个外，其他的inode表中实际上是没有任何数据的，指导创建了相应的文件才会分配inode表，文件系统才会在inode表中写入与文件相关的inode信息。

1.2 Flexible 块组（flex_bg）

• Flexible 块组（flex_bg）是从Ext4开始引入的新特性。在一个flex_bg中，几个块组在一起组成一个逻辑块组flex_bg. Flex_bg的第一个块组中的位图空间和inode表空间扩大为包含了flex_bg中其他块组上位图和inode表。

• 比如flex_bg包含4个块组，块组0将按序包含超级块、块组描述符表、块组0-3的数据块位图、块组0-3的inode位图、块组0-3的inode表，块组0中的其他空间用于存储文件数据。同时，其他块组上的数据块位图、inode位图、inode表元数据就不存在了，但是SB和GDT还是存在的。
  

Flexible块组的作用是：

1. 聚集元数据，加速元数据载入；
2. 使得大文件在磁盘上尽量连续；

• 即使开启flex_bg特性，超级块和块组描述符的冗余备份仍然位于块组的开头。 Flex_bg中块组的个数由2^ext4_super_block.s_log_groups_per_flex 给出。

1.3 元块组（Meta Block Groups）

通常，在每个冗余备份的超级块的后面是一个完整的(包含所有块组描述符的)块组描述符表的备份。这样会产生一个限制，以Ext4的块组描述符大小64 Bytes计算，文件系统中最多只能有2^21个块组，也就是文件系统最大为256TB。

• 使用元块组Meta Block Groups特性，每个块组都包含该块组自己的描述符的冗余备份。因此可以创建2^{33个块组，也就是文件系统最大1EB。48位数据块，每个块组128MB，因而可以创建}