讀書筆記
這一章學習了linux當中的檔案系統EXT2。隻要我們充分了解了一個檔案系統，那麼就可以輕松改編其他任何檔案系統。本章首先描述了EXT2檔案系統在Linux中的曆史地位以及EXT3/EXT4檔案系統的目前狀況;用程式設計示例展示了各種EXT2資料結構以及如何周遊EXT2檔案系統樹;介紹了如何實作支援Linux核心中所有檔案操作的EXT2檔案系統;展示了如何通過虛拟磁盤的mount_root 來建構基本檔案系統;将檔案系統的實作劃分為3個級别，級别1擴充了基本檔案系統，以實作檔案系統樹，級别2實作了檔案内容的讀/寫操作，級别3實作了檔案系統的挂載/裝載和檔案保護;描述了各個級别檔案系統函數的算法，并通過程式設計示例示範了它們的實作過程;将所有級别融合到一個程式設計項目中;最後，将所有程式設計示例和練習整合到一個完全有效的檔案系統中。
知識點總結
1、Linux最傳統的磁盤檔案系統(filesystem)使用的是EXT2
2、硬碟組成與分割
磁盤的實體組成，整顆磁盤的組成主要有：
圓形的磁盤盤(主要記錄資料的部分)；
機械手臂，與在機械手臂上的磁盤讀取頭(可擦寫磁盤盤上的資料)；
主軸馬達，可以轉動磁盤盤，讓機械手臂的讀取頭在磁盤盤上讀寫資料
扇區(Sector)為最小的實體儲存機關，每個扇區為 512 bytes；
将扇區組成一個圓，那就是磁柱(Cylinder)，磁柱是分割槽(partition)的最小機關；
第一個扇區最重要，裡面有：(1)主要啟動區(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)， 其中 MBR 占有 446 bytes，而 partition table 則占有 64 bytes。
各種接口的磁盤在Linux中的檔案名分别為：
/dev/sd[a-p][1-15]：為SCSI, SATA, U盤, Flash閃盤等接口的磁盤檔案名；
/dev/hd[a-d][1-63]：為 IDE 接口的磁盤檔案名；
3、data block (資料區塊)
data block 是用來放置檔案内容資料地方，在 Ext2 檔案系統中所支援的 block 大小有 1K, 2K 及 4K 三種而已。在格式化時 block 的大小就固定了，且每個 block 都有編号，以友善 inode 的記錄。 由于 block大小的差異，會導緻該檔案系統能夠支援的最大磁盤容量與最大單一檔案容量并不相同。 因為 block 大小而産生的 Ext2 檔案系統限制如下：
Block 大小 1KB 2KB 4KB
最大單一檔案限制 16GB 256GB 2TB
最大檔案系統總容量 2TB 8TB 16TB
原則上，block 的大小與數量在格式化完就不能夠再改變了(除非重新格式化)；
每個 block 内最多隻能夠放置一個檔案的資料；
如果檔案大于 block 的大小，則一個檔案會占用多個 block 數量；
若檔案小于 block ，則該 block 的剩餘容量就不能夠再被使用了(磁盤空間會浪費)。
4、 EXT2檔案系統由以下幾個部分組成：
Boot Sector:上圖啟動塊（Boot Sector），是用來存儲磁盤分區資訊和啟動資訊，任何檔案系統給都不能缺少啟動塊。啟動塊大小并不是我們前面所說的4KB，而是1KB，是由PC标準定義的。
Block Group:啟動塊之後才是ext2檔案系統的開始。ext2檔案系統将整個分區劃分為大小相等的塊組（Block Group）,每個塊組由以下部分組成：
Super Block：超級塊主要有兩個功能：1）超級塊結構給出了檔案系統的全局資訊。例如塊大小，檔案系統的版本等等。2)超級塊結構包含一些函數指針,例如super_operation的成員函數read_inode提供了讀取inode資訊的功能。每個具體的檔案系統一般都要提供這個函數來實作對inode資訊的讀取，例如ext2檔案系統提供的具體函數是ext2_read_inode。
GDT(Group Descriptor Table)，組描述符表。由很多組描述符組成，整個分區分成多少個組就對應有多少個組描述符。每個組描述符（Group Descriptor）存儲一個組的描述資訊，例如在這個組中從哪裡開始是inode表，從哪裡開始是資料塊，空閑的inode和資料塊還有多少個等等。
Block Bitmap，塊位圖。塊位圖就是用來描述整個塊組中哪些塊已用哪些塊空閑的，它本身占一個塊，其中的每個bit代表本塊組中的一個塊，這個bit為1表示該塊已用，這個bit為0表示該塊空閑可用。
5、EXT2的索引節點inode
在EXT2檔案系統中每個檔案與目錄由惟一的inode來描述。每個資料塊組的EXT2 inode被儲存在inode表中，同時還有一個位圖被系統用來跟蹤已配置設定和未配置設定的inode。
EXT2通過索引節點中的資料塊指針數組進行邏輯塊到實體塊的映射。在EXT2索引節點中，資料塊中數組共有15項，前12個為直接指針，後三個分别為“一次間接指針”、“二次間接指針”、“三次間接指針”，EXT2預設的實體塊大小為1KB，塊位址占4個位元組，是以每個實體塊可以存儲256個位址。這樣，檔案大小最大可達12KB+256KB+64MB+16GB。但實際上，Linux是32位系統，故檔案大小最大隻能為4GB，及整個檔案系統都被一個檔案所占用。
6、EXT2檔案系統的節點資訊結構
與EXT2超級塊類似，當磁盤上的索引節點調入記憶體後，除了要填寫VFS的索引節點外，系統還要根據它填寫另一個資料結構ext2_inode_info，其作用也是為了存儲特定檔案系統自己的特性。
結構ext2_inode_info分析如下：
7、EXT2檔案系統的組描述符
在塊組中緊跟着超級塊後面的塊是組描述符，在start_sect+block_size*2位置上。乘以2的原因是block_size是KByte為機關，我們用扇區通路。組描述符表每一項為組描述符，是一個叫ext2_group_desc的資料結構，供32位元組。它用來描述某個塊組的整體資訊。
找到了組描述符，可得到很多資訊，如該組塊組位圖的位置，該組塊inode位圖位置，該組塊inode表的位置等。
組描述符的定義如下：
最有收獲的内容
通過學習檔案系統，可以從系統層面去了解檔案的存儲，比如要存一個hello的檔案，有以下步驟：
1）核心加載塊組0中的GDT，從GDT中找出inode bitmap，從inode bitmap中找出inode table中空閑的inode。
2）申請一個inode。inode主要包含兩部分内容：檔案屬性（68Bytes），資料塊指針（60Bytes）。資料塊指針指向存儲hello檔案目錄項和檔案内容的Data Block。
3）将檔案内容和檔案的目錄資訊分别存在對應的Data Block中。
4）修改對應的inode Bitmap 和 Block Bitmap。
此外，可以根據給定檔案路徑名，利用OS找到檔案的位置，比如對路徑“/home/hello”，找到檔案位置有以下步驟：
1）查找根目錄的目錄項。Linux有規定，根目錄的目錄項必須存放在2号inode中。
2）根目錄的目錄項中存着根目錄下的子目錄目錄項和檔案的資料塊資訊。通過根目錄的目錄項可以找到home對應的inode。
3）根據home對應的inode找到home的目錄項。
4）在home目錄項中找到hello檔案的inode。
5）根據hello檔案的inode中的資料塊指針找到存儲有hello檔案内容的資料塊。
問題和解決思路
無論是Ext2檔案系統還是Ext3檔案系統又或者是Ext4檔案系統，寫入cache memory區塊的這個過程是不會改變的。以上示例效果中還有一個叫做buffers memory的記憶體區塊，這個區塊緩存了檔案系統的部分Inode資訊，這樣保證了作業系統不會随時到檔案系統上尋找Inode——優化檔案系統的讀性能。cache memory區塊和buffers memory區塊由作業系統自行管理，它們隻會使用目前沒有被應用程式占用的空閑記憶體。當應用程式請求新的記憶體區塊且空閑記憶體不夠時，作業系統會釋放部分cache memory區塊或者buffers memory區塊。後文我們講解Linux下的Page Cache技術時，還會對這部分知識進行詳細講解。當cache memory區塊寫滿或者到達一個等待時間後，作業系統就會正式開始向檔案系統寫資料了。
在Ext2檔案系統中，完成檔案寫入的過程可以簡要的進行如下描述：首先檔案系統會在收到檔案寫入請求後根據算法尋找一個還沒有使用的Inode，這個算法過程根據不同檔案系統小版本和Linux核心版本的不同而有所變化，但尋找原則都是一樣的，即盡可能為檔案尋找連續的inode和data block。上文已經提到Ext檔案系統中，每一個block group都有Block bitmap區域和Inode bitmap區域分别用于記錄block group中的block和Inode的使用情況。在尋找Inode的這個步驟中，block group的Block bitmap、Inode bitmap區域還不會被寫入任何變化，block group的Group description table區域也不會被寫入任何變化。
Linux支援的檔案作業系統
可以通過指令<code>ls -l /lib/modules/$(uname -r)/kernel/fs</code>來檢視
df（英文全拼：disk free） 指令用于顯示目前在 Linux 系統上的檔案系統磁盤使用情況統計。
列指定檔案系統的名稱，第二列指定一個特定的檔案系統1K-塊1K是1024位元組為機關的總記憶體。用和可用列正在使用中，分别指定的記憶體量。
使用列指定使用的記憶體的百分比，而最後一欄"安裝在"指定的檔案系統的挂載點。
用一個-i選項的df指令的輸出顯示inode資訊而非塊使用量。
-h選項，通過它可以産生可讀的格式df指令的輸出
--total 可以顯示所有的資訊
du指令，檢視目錄和檔案容量
隻顯示目前目錄下面的子目錄的目錄大小和目前目錄的總的大小。