EXT4文件系统的磁盘布局

最新推荐文章于 2022-08-25 15:34:13 发布

小郑2013

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EXT4文件系统的磁盘布局

一．磁盘空间的计算

EXT4文件系统是从EXT2/EXT3文件系统上继承和发展而来的，EXT4也使用EXT2/EXT3的一些元数据的概念，如超级块，块组描述符，块组位图，节点位图，节点数据，在EXT2/EXT3中还有间接数据块，EXT4的节点如果不用content结构的话，也应该有间接数据块的概念，因为EXT4在某些情况下会与EXT3文件系统兼容。

在EXT2/EXT3/EXT4文件系统中一个块组最大为128M，块组描述符在EXT2/EXT3中为32个字节，在EXT4中为64个字节；下面就专门讨论EXT4的情况。在EXT4中，支持的最大块组数为2^21 个，是这样计算出来的，块组数最多时其块组描述符占用满一个块组，一个块组大小为128M, 即块组数为128M/64= 2^27/2^6= 2^21；所以支持的最大空间数为2^21X128M= 2^21x2^27=2^48=256T，即为文件系统磁盘的最大空间。

为了突破256T空间的限制，引入了meta_block_group的方法；在该方法中将多个块组组成一个meta_block_group。那个数为多少呢？组成的方法如下，在meta_block_group中拿出一个数据块来存储块组描述符，数据块大小假设现在的大小是4K，块组描述符就描述本meta_block_group中的块组，那一个meta_block_group中的块组个数可以是4K/64=2^12/2^6=2^6=64，即为64个块组。这样，块组数就不受空间大小的限制了，空间不够只要在最后加上去就可以了；因此，磁盘寻址的时候，48个bit的地址空间（两个32bit的地址组合起来，可以是64bit，但是现在只支持到48bit）就都可以利用起来，磁盘空间块大小为4K的话，总的寻址空间就可以有2^48X4K= 2^48X2^12=2^60=1EB，所以这是EXT4文件系统的最大的空间。

二．Flexibleblock group

在生成EXT4文件系统时可以加入特性flex_bg参数，生成的文件系统就支持flexibleblock group的特性。原来每个块组中都有描述该块组内部的数据块位图，节点位图，节点表；引入该特性后，每个块组中这些数据就被移动到第一个块组中去了，后面的块组就没有数据块位图，节点位图，节点表了，就剩下数据块了，不过偶尔会插入块组描述符和备份的超级块了，他们会在块组的开头。这样就使数据块部分紧密的联系在一起，保证大文件存储的高效性。

一个flexible blockgroup中块组的个数，是由超级块中该变量定义的s_log_groups_per_flex，个数为2^s_log_groups_per_flex。现在假设取4，那么2^4=16，即一个flexibleblock group中有16个块组，那么其结构如下：

A:super block超级块

B:block group des 磁盘上所有块组的块描述符

C:data block bitmap 块组0-15的所有数据块的使用位图

D:inode bitmap 块组0-15的所有节点表的使用位图

E:inode table 块组0-15的的所有节点表

F:Block data 块组0-15的数据块。

A,B,C,D,E的位置是在块组0上的，而F数据块是块组0中剩下的部分和块组1到块组15，在块组1-块组15的开头有时有超级块的备份或者块组描述符的备份，余下全部为数据块。

三.meta block group

在生成EXT4文件系统的时候，如果使用了特性meta_bg，则文件系统就支持meta block group的格式。如上文计算，如果磁盘块大小为4K，一个meta block group支持的块组数值为64个块组，具体结构如下：

附： SB 超级块

GDT属于本meta block group的块组描述符

BB 该块组的数据块位图

IB 该块组的节点位图

IT 该块组的节点表

DATA BLOCKS该块组的数据块

值得指出的是在块组0到块组63组成的一个meta block group中，只有三个块组中保存了属于本meta block group的块组描述符，保存的位置在块组0，块组1和块组63，也在上表的表现出来了。

四.flexible block group结合metablock group

在生成EXT4文件系统的时候，使用的特性结合了meta_bg和flexible_bg，那么磁盘的布局与单个参数的情况有点不一样了。假设磁盘块大小为4K，s_log_groups_per_flex为4，那么如上文分析的，flexible block group为16个块组一个单位，meta block group为64个块组为一个单位，两者结合的结构如下：

如上图所示，在一个metablock group中，共有64个块组，里面又细分为4个flexible block group，每个flexible block group又包含16个块组，得16X4共64个块组。

对于总的64个块组中，其保存了metablock group的特性，块组0包含超级块，本group的块组描述符，BB, IB, IT；块组1同样包含超级块，本group的块组描述符；块组63，包含本group的块组描述符。

对于细分的4个flexibleblock group，第一个flex_bg，块组0到块组15；第二个flex_bg，块组16到块组31；第三个flex_bg，块组32到块组47；最后一个flex_bg，块组48到块组63；对于具体的每个小组，以第一个flex_bg为例，块组0的BB是块组0-15的数据块位图，IB是块组0-15的节点位图，IT是块组0-15的节点表，以下皆为数据块。

五．其他

在生成EXT4文件系统中，如果使用了特性uninit_bg，有的块组就不会被初始化，磁盘格式化的速度会加快。四中的flexible block group结合meta block group的情况，假设块组1没被初始化，但是SB和GDT会写入块组1，后面的数据没被初始化，该块组也不会被加入到flexible block group中去，放入flexible block group的块组会跳过未初始化的块组1，选择下个块组，比如初始化的块组2，以下类推，未初始化的跳过。