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8 Linux文件管理

8.1 Linux 文件系统概述

本章主要介绍 EXT2 文件系统的结构特点以及 linux 虚拟文件系统 VFS 的特点及其实现技术。

1. Linux 文件系统的树型结构
   Linux 最上层的是根目录，用/表示。
   
   Linux 采用目录分解的方法管理文件目录。在树型目录中的目录项是文件的符号目录。如下图所示：
   

2. Linux 文件类型
   普通文件
   目录文件
   设备文件
   管道文件
   链接文件（基于索引节点共享）

3. 文件的访问权限
   Linux 中的每个文件都归于一个特定的用户所有，而且一个用户一般都是与某个用户组相关。所以，linux 设置了三种针对访问者身份的权限：文件所有者、与文件所有者同组的用户、其他用户。
   对文件的访问限制主要体现在文件的 3 种操作上，即文件的读取、写入和执行。对 3 种访问者的 3 种操作限制形成了 9 种情况，用 9 位二进制代码表示。

-rwxr-xr-x 1 user wheel 3212 Dec 4 12:36 a.out

8.2 EXT2 文件系统

8.2.1 EXT2 文件系统的构造

一个文件系统一般使用块设备上的一个独立逻辑分区，在这个分区内建立文件系统的树型层次结构 。EXT2 文件系统由逻辑序列块序列组成。EXT2 文件系统把它所使用的磁盘逻辑分区划分为若干块组（block group），并从 0 开始依次编号。每个块组中包含若干数据块，其中存放文件内容。每个组中除数据块之外包括 5 种用于管理和控制的信息块：超级块、组描述符、块位图、inode 位图和 inode 表。这些信息位
于每个块组的前部，后面是文件的数据块。

8.2.2 EXT2 超级块（super block）

EXT2 超级块（super block）：用来描述 EXT2 文件系统整体信息的数据结构，主要描述文件在逻辑分区中的静态分布情况，以及描述文件系统的各种组成结构的尺寸、数量等。所有块组中包含的超级块的内容是相同的。系统运行期间 系统运行期间， 需要把超级块中的内容复制到内存缓冲区内。

在 linux 中，EXT2 文件系统超级块定义为 ext2_super_block 结构，定义在/include/linux/ext2_fs.h 中 。EXT2 超级块由两部分组成：

基本超级块：EXT2 文件系统得整体静态信息。
扩充块：反映所在块组的某些动态特性。

超级块本身占用一个物理块（1024B），基本块占 84B，扩充块占 20B，剩余的 920B 定义为元素长度为 4B 的数组 reserved[230]，作为备用。

8.2.3 组描述符

组描述符：记录各个组块的描述信息（在位文件分配磁盘空间时需要使用这些信息）。这些组描述符集中在一起，就形成了组描述符表。组描述符可能占用多个物理块。和超级块一样的是：每个组块中的组描述符的内容完全相同，而且它的内容也要读入内存。

在 linux 中，组描述符（32B）是一个 ext2_group_desc 结构，定义在/include/linux/ext2_fs.h 中：

8.2.4 块位图

块位图：记录每块组的数据块的使用情况。它占用一个物理块。所以一个块组中数据块的最大数量是一个物理块的长度的 8 倍。例：对 1024 的物理块而言，其块位图就有 1024*8 位，即可以表示 8K 个数据块，也就是说一个块组的数据区的最大容量是 8M。如果 EXT2 文件系统使用的逻辑分区为 100M，则它可以划分为 12 个块组。

系统运行后，块位图装入一个高速缓存中，但是由于高速缓存空间有限，故只装入当前常用的 8 块（缺省值）位图。

8.3 EXT2 的 inode 和文件结构

8.3.1 EXT2 文件系统 inode 结构

Linux 中 EXT2 文件系统 inode 定义为 struct ext2_inode。它定义在/include/linux/ext2_fs.h。

8.3.2 inode 表和 inode 位图

inode 表：一个块组的所有文件的 inode 的集合。它可能占据多个物理块。每个块组可以包含的 inode 的数目由超级块中的成员项 s_inoders_per_group 给出。

Inode 位图：反映了 inode 表中各个项的使用情况，它的每一位表示 inode 表的一个表项。1 使用；0 空闲。与块位图相似，inode 位图也装入一个高速缓冲中。

8.3.3EXT2 文件的物理结构

采用混合索引结构。Inode 中 i_block[]数组共有 15 个地址。如下图所示：
EXT2 文件默认的物理块尺寸为 1K，EXT2 的块地址长度 4B，所以每个间接块中的索引表可以包括1024/4=256 个物理地址。所以

1.直接地址：允许文件不大于 12K 
2.一次间接地址：当文件大于 12K 时采用，允许文件长达 256K+12K
3.二次间接地址: 当文件大于 256K+12K 时采用，允许文件长达 256*256*K+256K+12K
4.三 次 间 接 地 址 : 当 文 件 大 于 256*256K+256K+12K 时 采 用 ， 允 许 文 件 长 达256*256*256K+256*256K+256K+12K=16G+64M+256K+12K

但是实际上 linux 是 32 位文件系统，文件尺寸最大为 4G。
EXT2 文件系统按照文件的逻辑块号为索引值查找数据块，逻辑块从 0 依次编号。
例：如何查找逻辑块号 100 对应的物理块。

8.3.4 EXT2 的目录结构

Linux 树型目录结构中，每个文件目录都是一个目录文件，每个目录项都是一个 ext2_dir_entry 结构体，它
就是一个文件的符号目录。定义在/include/linux/ext2_fs.h。

Struct ext2_dir_entry
{
_u32 inode； /*inode 号*/
_u16 rec_len; /*目录项长度*/
_u16 name_len; /*文件名长度*/
Char name[EXT2_NAME_LEN]； /*文件名*/
}

EXT2_NAME_LEN 缺省为 255，也就是文件名最大可以用 255 个字符。另外目录项长度根据文件名长度的大小是可变的。但是必须是 4 的倍数，不用部分用\0 填充。
删除文件时，将相应的 inode 号字段置 0，如果相邻有空白目录项则合并。
添加文件时，找到一个长度合适的空白目录项，并写入相应信息；若空白表项使用后剩余空间大于12B，则把剩余部分仍作为空白目录项。如果找不到合适的空目录项，就在文件尾部建立这个文件的目录项。