第十一章学习笔记
EXT2文件系统
EXT2第二代扩展文件系统second extended filesystem，缩写为ext2，是LINUX内核所用的文件系统。它开始由Rémy Card设计，用以代替ext，于1993年1月加入linux核心支持之中。ext2 的经典实现为LINUX内核中的ext2fs文件系统驱动，最大可支持2TB的文件系统，至linux核心2.6版时，扩展到可支持32TB。其他的实现包括GNU Hurd，Mac OS X ，Darwin ，BSD。ext2为数个LINUX发行版的默认文件系统，如Debian、Red Hat Linux等。
其单一文件大小与文件系统本身的容量上限与文件系统本身的簇大小有关，在一般常见的 x86 电脑系统中，簇最大为 4KB, 则单一文件大小上限为 2048GB, 而文件系统的容量上限为 16384GB。
但由于目前核心 2.4 所能使用的单一分割区最大只有 2048GB，实际上能使用的文件系统容量最多也只有 2048GB。
至于Ext3文件系统，它属于一种日志文件系统，是对ext2系统的扩展。它兼容ext2，并且从ext2转换成ext3并不复杂。
EXT2文件系统数据结构
1.通过mkfs创建虚拟磁盘
在 Linux下，命令
mke2fs [-b blksize -N ninodes] device nblocks
在设备上创建一个带有nblocks个块（每个块大小为blksize字节）和 ninodes 个索引节点的EXT2文件系统。设备可以是真实设备，也可以是虚拟磁盘文件。如果未指定blksize.则默认块大小为1KB。如果未指定ninoides，mke2fs将根据 nblocks计算一个默认的ninodes数。得到的 EXT2文件系统可在 Linux 中使用。举个具体的例子，下面的命令
dd if=/dev/zero of=vdisk bs=1024 count=1440
mke2fs vdisk 1440
可在一个名为vdisk的虚拟磁盘文件上创建一个EXT2文件系统，有1440个大小为1KB 的块。
2.Block#0：引导块 B0是引导块，文件系统不会使用它。它用来容纳一个引导程序，从磁盘引导操作系统。
3.Block#1：超级块（在硬盘分区中字节偏移量为1024） B1是超级块，用于容纳整个文件系统的信息。
struct ext2_guper_block {
u32 s_inodes_count; /* Inodes count */
u32 s_blocks_count; /* Blocks count*/
u32 s_r_blocks_count; /* Reserved blocks count */
u32 s_free_blocks_count; / * Free blocks count */
u32 s_free_inodes_count; /* Free inodes count */
u32 s_first__data_blook; /* First Data Block */
u32 s_log_block_size; /* Block size */
u32 s_log_cluster_size; /* Allocation cluster size */
u32 s_blocks_per_group; /* # Blocks per group*/
u32 s_clusters_per_group; /*# Fragments per group */
u32 s_inodes_per_group; /* # Inodes per group*/
u32 s_mtime;u32 s_wtime; /* Mount time */
u16 s_mnt_count; /* Write time */
s16 s_max_mnt_count; /_Mount_count/L
u16 8_magic; /* Magic signature */
// more non-essential fields
u16 s_inode_size; /* size of inode structure*/
}
4.Block#2∶块组描述符块（硬盘上的s first data block+1）EXT2将磁盘块分成几个组。每个组有8192个块（硬盘上的大小为32K）。每组用一个块组描述符结构体来描述。
struct ext2_group_desc {
u32 bg_block_bitmap; // Bmap block number
u32 bg_inode_bitmap; // Imap block number
u32 bg_inode_table; // Inodes begin block number
u16 bg_free_blocks_count; // THESE are OBVIOUS
u16 bg_free_inodes_count;
ul6 bg_used_dirs_count;
u16 bg_pad; // ignore these
u32 bg_reserved[3];
}；
5.Block#8∶块位图（Bmap）（bg block bitmap）位图是用来表示某种项的位序列，例如磁盘块或索引节点。位图用于分配和回收项。在位图中，0位表示对应项处于FREE状态，1位表示对应项处于IN USE状态。一个软盘有1440个块，但是 Block#0未被文件系统使用。所以，位图只有1439个有效位。无效位被视作INUSE，设置为1。
Block#9∶索引节点位图（Imap）（bg inode bitmap）一个索引节点就是用来代表一个文件的数据结构。EXT2文件系统是使用有限数量的索引节点创建的。各索引节点的状态用B9的Imap 中的一个位表示。在EXT2 FS中，前10个索引节点是预留的。所以，空 EXT2 FS的Imap 以10个1开头，然后是0。无效位再次设置为1。
6.Block#10∶索引（开始）节点（bg inode table）每个文件都用一个128字节（EXT4中是256字节）的唯一索引节点结构体表示。
struct ext2_inode {
u16 i_mode; // 16 bits=|tttt |ugs|rwx|rwx|rwxl
ul6 i_uid; // owner uid
u32 i_size; // file size in bytes
u32 i_atime; // time fields in seconds
u32 1_ctime; // since 00:00:00,1-1-1970
u32 i_mtime;
u32 i_dtime;
i_gid; // group ID u16
u16 i_links_count; // hard-link count
u32 i_blocks;u32 i_flags; // number of 512-byte sectors
u32 i_reservedl; // IGNORE // IGNORE
u32 i_block[15]; // See details below
u32 i_pad[7]; // for inode size = 128 bytes
}
直接块: block[0]至iblock[11]，指向直接磁盘块。
间接块:iblock[12]指向一个包含256个块编号（对于1KB BLKSIZE）的磁盘块，每个块编号指向一个磁盘块。
双重间接块:i block[13]指向一个指向 256个块的块，每个块指向256个磁盘块。
三重间接块:iblock[14]是三重间接块。对于"小型"EXT2文件系统，可以忽略它。
7.数据块
紧跟在索引节点块后面的是文件存储数据块。
8.目录条目
struct ext2_dir_entry_2{
u32 inode; // inode number; count from 1,NOT 0
u16 rec_len; // this entry's length in bytes
u8 name_len; // name length in bytes
u8 file_type; // not used
char name[EXT2_NAME_LEN]; // name:1-255 chars,no ending NULL ;
}；
目录包含dir_entry 结构，dir_entry 是一种可扩充结构。名称字段包含1到255个字符，不含终止NULL。所以dir entry 的 rec len也各不相同。
11.3 邮差算法
一个城市有M个街区，编号从0到M-1.每个街区有N座房子，编号从0到N-1.每座房子有一个唯一的街区地址，用（街区，房子）表示。已知某个街区地址BA=（街区，房子），怎么把它转换为线性地址LA，或者已知线性地址，怎么转换为街区地址？
Linear_address LA=N*block + house；
Block_address BA=(LA/N,LA%N);
1.C语言中的Test-Set-Clear位
struct bits{
unsigned int bit0 : 1; //bit0 field is a single bit
unsigned int bit123 : 3; // bit123 field is a range of 3 bits
unsigned int otherbits :27; // other bits field has 27 bits
unsigned int bit31 :1; // bit31 is the highest bit
}var;
2.将索引节点号转换为磁盘上的索引节点
在 EXT2文件系统中，每个文件都有一个唯一的索引节点结构。在文件系统磁盘上，索引节点从inode table块开始。每个磁盘块包含
INODES_PER_BLOCK = BLoCK_SIZE/sizeof（INODE）
个索引节点。每个索引节点都有一个唯一的索引节点号，ino=1，2，…，从1开始线性计数。已知一个ino，如1234，那么哪个磁盘块包含该索引节点，以及哪个索引节点在该块中呢?我们需要知道磁盘块号，因为需要通过块来读/写一个真正的磁盘。
11.4编程示例
安装ext2fs开发包：sudo apt-get install ext2fs-dev
11.5遍历EXT2文件系统树
（1）读取超级块。检查幻数s_magic（0xEF53），验证它确实是 EXT2 FS。
（2）读取块组描述符块（1 + s_first_data_block），以访问组0描述符。从块组描述符的bg_inode_table条目中找到索引节点的起始块编号，并将其称为InodesBeginBlock。
（3）读取 InodeBeginBlock，获取/的索引节点，即 INODE#2。
（4）将路径名标记为组件字符串，假设组件数量为n。例如，如果路径名 =/a/b/c，则组件字符串是"a""b""c"，其中n=3。用name[0]，name[1]，…，name[n-1]来表示组件。
（5）从（3）中的根索引节点开始，在其数据块中搜索 name[0]。为简单起见，我们可以假设某个目录中的条目数量很少，因此一个目录索引节点只有12个直接数据块。有了这个假设，就可以在12个（非零）直接块中搜索 name[0]。目录索引节点的每个数据块都包含以下形式的 dir entry 结构体;
[ino rec_len name_len NAME] [ino rec_len name_len NAME]....
其中NAME是一系列nlen字符，不含终止NUL。对于每个数据块，将该块读入内存并使用 dir_entry dp指向加载的数据块。然后使用 name_len将NAME提取为字符串，并与name[0]进行比较。如果它们不匹配，则通过以下代码转到下一个dir_entry:
dp =(dir_entry)((char *)dp + dp->rec_len);
继续搜索。如果存在 name[0]，则可以找到它的 dir_entry，从而找到它的索引节点号。
（6）使用索引节点号ino来定位相应的索引节点。回想前面的内容，ino 从1开始计数。使用邮差算法计算包含索引节点的磁盘块及其在该块中的偏移量。
blk =(ino - 1) / INODE8_PER_BLOCK + InodesBeginBlock;
offset = (ino - 1) % INODES_PER_BLOCK;
然后在索引节点中读取/a，从中确定它是否是一个目录（DIR）。如果/a不是目录，则不能有/a/b，因此搜索失败。如果它是目录，并且有更多需要搜索的组件，那么继续搜索下一个组件 name[1]。现在的问题是∶在索引节点中搜索/a的 name[1]，与第（5）步完全相同。
（7）由于（5）～（6）步将会重复n次，所以最好编写一个搜索函数∶
u32 search (INODE *inodePtr, char *name)
{
// search for name in the data blocks of current DIR inode
// if found, return its ino; else return 0 )
}
然后我们只需调用 search()n次，如下所示。
Assume:n,name[0],....,name[n-1] are globals
INODE *ip points at INODE of /
for（i=0; i<n; i++）
{
ino = search(ip, name[4])
if(!ino){ // can't find name[i], exit;}
use ino to zead in INODE and let ip point to INODE
}
如果搜索循环成功结束，ip必须指向路径名的索引节点。遍历有多个组的大型 EXT2/3 文件系统也是类似操作。
11.6EXT2文件系统的实现
1.文件系统的结构
（1）当前运行进程的PROC结构体；
（2）文件系统的根指针；
（3）一个openTable条目；
（4）内存索引节点；
（5）已挂载的文件系统表。
2.文件系统的级别
第1级别实现了基本文件系统树，以实现指定函数，第2级别实现了文件内容的读/写函数，第3级别实现了文件系统的挂载、卸载和文件保护。
11.7基本文件系统
1.type.h文件
这类文件包含EXT2文件系统的数据结构类型，比如超块、组描述符、索引节点和目录条目结构。此外，它还包含打开文件表、挂载表、PROC结构体和文件系统常数。
2.global.c文件
这类文件包含文件系统的全局变量。全局变量的例子有：
MINODE minode [NMINODE]; // in memory INODEs
MTABLE mtable [NMTABLE]; // mount tables
OFT oft [NOFT]; // Opened file instance
PROC proc[NPROC]PROC ] // PROC structures
PROC *running; // current executing
代码实践
创建磁盘：dd if=/dev/zero of=20201311 bs=1024 count=1440
格式化为EXT2文件系统
mke2fs 20191331d 1440
使用df命令查看各个分区挂在情况
