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簡(jiǎn)述linux文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)篇一

闡述了linux系統(tǒng)的文件結(jié)構(gòu)類(lèi)型，指出了ext2是在linux系統(tǒng)中最為常用的文件系統(tǒng)。

分析了ext2文件系統(tǒng)的磁盤(pán)布局、索引結(jié)點(diǎn)及目錄結(jié)構(gòu)，研究了ext2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按名存取的方法，文件讀取速度更高效。

ext2文件系統(tǒng)；索引結(jié)點(diǎn)；混合索引；文件目錄

linux系統(tǒng)的一個(gè)重要的特征就是支持多種不同的文件系統(tǒng)，如：ext、fat、ext2、ext3、sysv等。目前，linux主要使用的文件系統(tǒng)是ext2和ext3文件系統(tǒng)，也是linux用戶(hù)最常用的文件系統(tǒng)。

各種linux的系統(tǒng)發(fā)布都將ext2作為操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。ext2文件系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)unix文件類(lèi)型：普通文件、目錄文件、特別文件和符號(hào)鏈接。

1 ext2磁盤(pán)布局

ext2和其他邏輯塊文件一樣，由邏輯塊序列組成，根據(jù)用途劃分，這些邏輯塊通常有：引導(dǎo)塊、超級(jí)塊、inode區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)等。

ext2將其所占的邏輯分區(qū)劃分為塊組，由一個(gè)引導(dǎo)塊和其他塊組組成，每個(gè)塊組又由超級(jí)塊、組描述符表、塊位圖、索引節(jié)點(diǎn)位圖、索引節(jié)點(diǎn)表、數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 ext2磁盤(pán)布局在邏輯空間的映像每個(gè)塊中保存的這些信息是有關(guān)ext2文件系統(tǒng)的備份信息。當(dāng)某個(gè)塊組的超級(jí)塊或inode受損時(shí)，這些信息可以用來(lái)恢復(fù)文件系統(tǒng)。

2 ext2索引結(jié)點(diǎn)

ext2文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)塊的方式存儲(chǔ)在文件中的。這些數(shù)據(jù)塊的大小相同，其大小在ext2創(chuàng)建時(shí)設(shè)定。磁盤(pán)上存儲(chǔ)文件的基本單位是簇。一個(gè)簇也稱(chēng)為一個(gè)磁盤(pán)塊，它通常是2n個(gè)磁盤(pán)扇區(qū)大小。

ext2文件系統(tǒng)用一個(gè)inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述系統(tǒng)中的每一個(gè)文件，定義系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)inode描述了一個(gè)文件中的數(shù)據(jù)占用了哪些塊以及文件的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限、文件的修改時(shí)間和文件的類(lèi)型。ext2文件系統(tǒng)中的每一個(gè)文件都用一個(gè)inode描述，而每一個(gè)inode都用一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的數(shù)字標(biāo)識(shí)。文件系統(tǒng)的inode都放在一起，在inode索引表中。

ext2塊組中組描述符中的項(xiàng)稱(chēng)為組描述符，用于描述某個(gè)塊組的整體信息。每個(gè)塊組都有一個(gè)相應(yīng)的組描述符來(lái)描述它，所有的組描述符形成一個(gè)組描述符表，并在使用時(shí)被調(diào)入塊高速緩存。

ext2中每個(gè)塊組有兩個(gè)位示圖塊，一個(gè)用于表示數(shù)據(jù)塊的使用情況，叫數(shù)據(jù)塊位圖；另一個(gè)用于表示索引結(jié)點(diǎn)的使用情況，叫索引結(jié)點(diǎn)位圖。位圖中的每一位表示該組中一個(gè)數(shù)據(jù)塊或一個(gè)索引塊的使用情況，用0表示空閑，用1表示已分配。

在linux的ext2文件系統(tǒng)中，索引結(jié)點(diǎn)inode分為兩類(lèi)，即磁盤(pán)索引結(jié)點(diǎn)和內(nèi)存索引結(jié)點(diǎn)，通常也分別叫做ext2 inode和vfs inode。

（1）磁盤(pán)索引節(jié)點(diǎn)

磁盤(pán)索引節(jié)點(diǎn)是指存放在磁盤(pán)上的索引節(jié)點(diǎn)。每個(gè)文件有唯一的一個(gè)磁盤(pán)索引節(jié)點(diǎn)，它主要包括以下內(nèi)容：文件所有者標(biāo)識(shí)號(hào)：指擁有該文件的文件主或同組的標(biāo)識(shí)符。

文件類(lèi)型：指明文件是普通文件、目錄文件還是特別文件等類(lèi)型。

文件物理地址：指出數(shù)據(jù)文件所在的物理塊號(hào)。如在linux系統(tǒng)中，通過(guò)15個(gè)地址項(xiàng)來(lái)表明文件所在的物理塊號(hào)。

文件存取權(quán)限：用戶(hù)對(duì)文件的操作類(lèi)型，如讀、修改、執(zhí)行等。

文件大?。何募加械淖止?jié)個(gè)數(shù)。

文件連接計(jì)數(shù)：指明系統(tǒng)中共享該文件的進(jìn)程個(gè)數(shù)。

文件存取時(shí)間：指出該文件最近被進(jìn)程存取的時(shí)間、最近被修改的時(shí)間及索引節(jié)點(diǎn)最近被修改的時(shí)間等。

（2）內(nèi)存索引節(jié)點(diǎn)

內(nèi)存索引節(jié)點(diǎn)是指存放在內(nèi)存的索引節(jié)點(diǎn)。當(dāng)文件打開(kāi)時(shí)，要將磁盤(pán)索引節(jié)點(diǎn)復(fù)制到內(nèi)存索引節(jié)點(diǎn)中，便于以后使用。內(nèi)存索引節(jié)點(diǎn)包括以下內(nèi)容：索引節(jié)點(diǎn)編號(hào)：標(biāo)識(shí)內(nèi)存索引節(jié)點(diǎn)。

索引節(jié)點(diǎn)狀態(tài)：指示該節(jié)點(diǎn)是否已被修改或已被上鎖。

訪(fǎng)問(wèn)計(jì)數(shù)：當(dāng)進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)該節(jié)點(diǎn)時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)計(jì)數(shù)加1，訪(fǎng)問(wèn)完再減1。

鏈接指針：指向空閑鏈表和散列隊(duì)列的指針。

邏輯設(shè)備名：含有該文件的文件系統(tǒng)的邏輯設(shè)備名。

3 文件的.目錄結(jié)構(gòu)

linux系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)采用了將文件名與文件描述信息分開(kāi)的方法。文件目錄由文件名和該文件的索引節(jié)點(diǎn)號(hào)構(gòu)成，一個(gè)目錄項(xiàng)共占16b。其中，文件名占14個(gè)字節(jié)，索引節(jié)點(diǎn)號(hào)（或索引節(jié)點(diǎn)指針）占2個(gè)字節(jié)。因此，1kb的盤(pán)塊中可以存放64（1k/16）個(gè)目錄項(xiàng)，這樣就節(jié)省了系統(tǒng)查找及訪(fǎng)問(wèn)文件的時(shí)間。在一個(gè)共有640個(gè)fcb的文件目錄中查找一個(gè)文件時(shí)，平均只需啟動(dòng)磁盤(pán)5次，因此大大減少了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。如表1所示為一個(gè)文件目錄的實(shí)例。

一個(gè)文件的磁盤(pán)索引節(jié)點(diǎn)占64個(gè)字節(jié)，主要包括文件標(biāo)識(shí)符、文件存取權(quán)限、文件物理地址、文件長(zhǎng)度、文件連接系數(shù)、文件存取時(shí)間等一些文件的重要信息。

4 文件的物理結(jié)構(gòu)

linux系統(tǒng)文件的物理結(jié)構(gòu)采用混合索引方式，對(duì)分配給文件的磁盤(pán)塊進(jìn)行管理。在linux文件系統(tǒng)的索引節(jié)點(diǎn)中存在一項(xiàng)i。addr[14]，用于存放該文件的磁盤(pán)塊號(hào)。如圖2所示為linux系統(tǒng)的混合索引文件結(jié)構(gòu)。

（1）直接尋址。i。addr[0]—i。addr[9]這10項(xiàng)用于直接存放該文件所占用的磁盤(pán)塊號(hào)，文件的前10個(gè)磁盤(pán)塊號(hào)依次放入其中。如果磁盤(pán)塊的大小為1kb，則當(dāng)文件長(zhǎng)度不大于10k時(shí)，操作系統(tǒng)可采用直接索引文件的方式對(duì)文件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，直接從索引節(jié)點(diǎn)中找出該文件所在的磁盤(pán)塊號(hào)，訪(fǎng)問(wèn)速度較快。

（2）一次間接尋址方式。i。addr[10]項(xiàng)中存放的磁盤(pán)塊號(hào)所指向的磁盤(pán)塊再用來(lái)存放下一級(jí)的磁盤(pán)塊號(hào)。假設(shè)一個(gè)磁塊大小為1kb，每個(gè)磁盤(pán)塊號(hào)占4個(gè)字節(jié)，則一個(gè)磁盤(pán)塊可存放256個(gè)（1kb/4b）磁盤(pán)塊號(hào)。這樣，通過(guò)一次間接尋址，i。addr[10]項(xiàng)就引出了256個(gè)磁盤(pán)塊號(hào)，所以，這一級(jí)可支持的文件長(zhǎng)度為256k。

（3）二次間接尋址方式。i。addr[11]存放的磁盤(pán)塊號(hào)采用兩級(jí)索引的方式，如果沿用以上的假設(shè)，則該項(xiàng)可引出2562個(gè)磁盤(pán)塊，可支持的文件長(zhǎng)度為2562k。

（4）三次間接尋址方式。i。addr[12]存放的磁盤(pán)塊號(hào)采用三級(jí)索引的方式，如果仍沿用以上的假設(shè)，則該項(xiàng)可引出2563個(gè)磁盤(pán)塊，可支持的文件長(zhǎng)度為2563k。

由以上分析可以看出，unix系統(tǒng)對(duì)于長(zhǎng)度較小的文件具有較快的讀寫(xiě)速度，同時(shí)又具有支持大文件的功能。

圖2 linux的混合索引文件結(jié)構(gòu)

linux系統(tǒng)文件實(shí)現(xiàn)了按名查找。通過(guò)文件名訪(fǎng)問(wèn)文件的過(guò)程如下：通過(guò)文件名查找文件目錄，找到該文件的索引結(jié)點(diǎn)號(hào)；通過(guò)索引結(jié)點(diǎn)號(hào)查找索引節(jié)點(diǎn)區(qū)，找到該文件的索引點(diǎn)；根據(jù)索引結(jié)點(diǎn)中提供a。ad—dr，找到該文件在磁盤(pán)的相應(yīng)的塊號(hào)序列；根據(jù)塊號(hào)，找到文件內(nèi)容。

fat文件系統(tǒng)與ntfs文件系統(tǒng)目錄的比較：fat文件系統(tǒng)直接以文件控制塊作為文件目錄，這樣文件系統(tǒng)目錄相應(yīng)較大，查詢(xún)速度較慢。以索引結(jié)點(diǎn)作為文件目錄，對(duì)于一些小的文件系統(tǒng)是可以的，但是對(duì)較大型的文件系統(tǒng)就不適用了。linux系統(tǒng)的文件目錄為：文件名、索引結(jié)點(diǎn)號(hào)。這使得linux系統(tǒng)的文件目錄更小，查詢(xún)速度更快。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于linux系統(tǒng)的ext2文件系統(tǒng)采用了合理巧妙的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及目錄結(jié)構(gòu)，使得該文件系統(tǒng)多項(xiàng)性能得到優(yōu)化。采用ext2系統(tǒng)，能夠大大改善磁盤(pán)i/o速度，提高i/o組織的靈活性及編程效率。

因此，ext2文件系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)及實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)提供了廣泛的基礎(chǔ)和手段。

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