Linux ext2 文件系统物理组织分析

ext2(Second Extended File System)是Linux早期广泛使用的文件系统，虽然现在已被ext3/ext4取代，但其物理组织方式仍然是理解现代Linux文件系统的基础。

1. 基本物理结构

ext2文件系统将存储设备划分为以下几个主要部分：

1. 引导块(Boot Block): 第一个块(通常为1KB)，包含引导加载程序
2. 超级块(Super Block): 包含整个文件系统的元数据
3. 块组描述符表(Group Descriptor Table): 描述每个块组的信息
4. 块组(Block Groups): 文件系统被划分为多个块组

2. 块组(Block Group)结构

每个块组包含以下部分：

+---------------------+
| 超级块副本          | (可选)
+---------------------+
| 块组描述符          |
+---------------------+
| 数据块位图          |
+---------------------+
| inode位图           |
+---------------------+
| inode表             |
+---------------------+
| 数据块              |
+---------------------+

3. 关键组件详解

3.1 超级块(Super Block)

• 位置：通常位于块组0，其他块组可能有备份
• 大小：1024字节
• 包含信息：
  • 文件系统大小和状态
  • 块大小(1KB, 2KB, 4KB等)
  • 块总数和空闲块数
  • inode总数和空闲inode数
  • 挂载时间、写入时间等

3.2 块组描述符(Group Descriptor)

• 每个块组一个描述符
• 包含信息：
  • 数据块位图位置
  • inode位图位置
  • inode表位置
  • 空闲块和inode计数

3.3 位图(Bitmaps)

• 数据块位图：标记块组中哪些数据块已使用(1)或空闲(0)
• inode位图：标记块组中哪些inode已使用或空闲

3.4 inode表

• 包含文件系统中所有inode的数组
• 每个inode大小通常为128或256字节
• 每个inode包含：
  • 文件类型和权限
  • 所有者UID/GID
  • 大小和访问时间
  • 指向数据块的指针(12个直接指针，1个间接指针，1个双重间接指针，1个三重间接指针)

3.5 数据块

• 存储实际文件内容或目录条目
• 大小可配置(通常为1KB, 2KB或4KB)

4. 文件查找过程示例

1. 通过路径名找到目录inode(通常根目录inode号为2)
2. 读取目录内容(数据块)，找到目标文件/子目录的inode号
3. 通过inode号定位到具体inode(计算所在块组和偏移)
4. 从inode中找到指向数据块的指针
5. 读取数据块内容

5. 性能优化设计

1. 块组划分：将inode和数据块分散到不同块组，减少寻道时间
2. 预分配：为增长中的文件预分配块，减少碎片
3. 快速符号链接：小符号链接直接存储在inode中

6. 与后续版本的区别

• ext3: 在ext2基础上增加日志功能
• ext4: 增加扩展区(extent)替代块映射，支持更大文件和更高效存储

ext2的这种物理组织方式为后来的Linux文件系统奠定了基础，虽然简单但高效，适合理解文件系统的基本工作原理。