Ext 系列文件系统怎么工作？从结构到实战全解析

上一篇我们搞懂了磁盘底层和基础概念，这一篇聚焦 Linux 最常用的 Ext 系列文件系统（Ext2/Ext3/Ext4）—— 它就像一个 “管理员”，用标准化的结构和实用功能，把磁盘上的文件管得井井有条。

一、Ext2 的 “小区管理”：块组结构

如果一个分区有 100GB，直接管理所有块和 inode 会很麻烦 —— 就像管理 100 间教室的学生，没分工效率低。Ext2 的解决方案是：把整个分区分成多个 “块组（Block Group）”，每个块组结构完全相同，就像 “标准化小区”，管理一个就能复制到所有。

每个块组里有 6 个核心 “部门”，用 “小区管理” 比喻一下就懂：

组成部分	小区比喻	核心作用
超级块（Super Block）	小区说明书	记录整个文件系统的 “全局信息”：块总数、inode 总数、块大小、最近挂载时间；为防损坏，会在多个块组备份
块组描述符表（GDT）	每栋楼的简历	每个块组对应一个 “描述符”，记录：inode 表在哪、数据块在哪、空闲块 /inode 有多少
块位图（Block Bitmap）	车位占用表	用 “0/1” 标记数据块是否空闲（0 = 空，1 = 用），找空闲块不用遍历，查位图就行
inode 位图（Inode Bitmap）	住户身份证表	用 “0/1” 标记 inode 是否空闲，快速找空闲 inode
inode 表（Inode Table）	住户身份证存放处	存这个块组所有的 inode（每个 128 字节或 256 字节），比如块组 0 存 1~1024 号 inode
数据块（Data Blocks）	住户的房间	存文件内容：普通文件存数据，目录存 “文件名 - inode” 映射

举个实际例子：当你在 Ext2 分区新建abc文件时，系统会做四件事：

1. 查 inode 位图，找一个空闲 inode（比如 263466），存在 inode 表里；

2. 查块位图，找空闲数据块（比如 300、500），存文件内容；

3. 在 inode 里记录 “数据块 300、500” 的指针；

4. 在目录的数据块里，加一条 “abc → 263466” 的映射。

二、inode 怎么找到文件内容？映射机制

inode 里有个关键字段：i_block[EXT2_N_BLOCKS]（共 15 个指针），它是 “inode 到数据块的桥梁”。为什么是 15 个？因为要兼顾 “小文件效率” 和 “大文件容量”。

1. 直接块（12 个）：小文件 “直达”

前 12 个指针直接指向 “数据块”，比如i_block[0]指向块 300，i_block[1]指向块 500…… 小文件（比如几 KB）只用读 1 次 inode，就能找到所有数据块，很快。

2. 间接块：大文件 “分层找”

如果文件很大（比如几百 MB），12 个直接块不够用，就需要 “间接块”：

• 第 13 个指针（一级间接块）：指向一个 “块号列表块”，这个块里存的不是内容，而是 “数据块的编号”（比如块 1000 里存 300、500、800…）；

• 第 14 个指针（二级间接块）：指向 “一级间接块的列表块”（比如块 2000 里存 1000、1001…）；

• 第 15 个指针（三级间接块）：指向 “二级间接块的列表块”—— 这样能支持超大文件，比如 4KB 块大小下，最大能存 4TB。

三、从路径到文件：解析与缓存

我们访问文件都是用路径，比如/home/xxx/test.c，系统怎么通过这个路径找到文件？核心是 “目录是文件” 和 “路径解析”。

1. 目录也是文件：存 “文件名 - inode” 映射

目录本质是特殊文件，它的数据块里存的不是内容，而是 “文件名 + inode 号” 的对应关系，就像 “小区住户名单”。比如/home目录的数据块里，会有 “xxx→ 1052661” 的记录 —— 意思是 “xxx子目录的 inode 号是 1052661”。

2. 路径解析：从根目录 “顺藤摸瓜”

路径/home/xxx/test.c的解析过程，就像 “从小区大门找到具体住户”：

1. 根目录（/）是 “小区大门”，它的 inode 号固定为 2，系统开机就知道；

2. 读根目录的数据块，找到 “home → 某个 inode 号”；

3. 读home目录的数据块，找到 “xxx→ 1052661”；

4. 读xxx目录的数据块，找到 “test.c → 1052007”；

5. 通过 inode 1052007，找到test.c的数据块。

为了加快速度，Linux 会在内存中缓存路径 —— 用struct dentry结构体构建 “树形路径缓存”，下次访问相同路径，直接从缓存里找，不用再读磁盘。

四、文件共享的技巧：软硬链接

Ext 系统支持两种 “链接”，用来共享文件，区别很大，用对了很方便。

1. 硬链接：同一个文件的 “多个名字”

硬链接是 “多个文件名对应同一个 inode”，比如用ln abc def创建def，abc和def的 inode 号相同（比如都是 263466）。

特点：

• 硬链接数记录在 inode 里，删除一个名字，硬链接数减 1，直到为 0 才释放磁盘；

• 用途：实现.（当前目录）和..（上级目录）、文件备份（删了备份不影响原文件，直到所有硬链接都删）。

2. 软链接：文件的 “快捷方式”

软链接是 “独立文件”，用ln -s abc abc.s创建，abc.s的 inode 号和abc不同（比如abc.s是 261678，abc是 263563）。

特点：

• 软链接里存的是目标文件的路径，删了目标文件，软链接会失效；

• 用途：跨分区引用文件、简化长路径（比如用ln -s /long/path/file ~/file把长路径文件链接到桌面）。

小结

Ext 系列文件系统的核心逻辑很清晰：用块组结构管理分区，用 inode 关联属性和数据，用路径解析找到文件，用挂载激活分区，用链接共享文件。理解这些，你就真正懂了 Linux 文件系统的 “运作方式”，以后遇到磁盘问题也能更从容。