LinuxEXT文件系统深度解析：从inode到数据修复

# Linux EXT文件系统深度解析：从inode到数据修复 ## 1. inode：文件信息的基石 inode，即索引节点，是磁盘上一个256字节的块，用于存储文件的相关数据。这些数据包括文件大小、用户和组所有者的用户ID、文件模式（即访问权限）以及三个时间戳，分别记录文件的最后访问时间、最后修改时间和inode本身数据的最后修改时间。 需要注意的是，inode的元数据中并不包含文件名。对文件的访问是通过目录项进行的，目录项包含文件名以及指向inode的指针，该指针的值就是inode号。在一个文件系统中，每个inode都有唯一的ID号，但同一计算机甚至同一硬盘上的其他文件系统中的inode可能具有相同的inode号。 对于存在严重碎片化的文件，需要使用间接节点来提供额外的功能。间接节点是文件系统中的普通数据块，仅用于描述数据，而不用于存储元数据。例如，4K的块大小可以支持512个4字节的间接节点，这样一个文件就可以有12（直接） + 512（间接） = 524个数据区域。在Minix和EXT1到EXT3文件系统中，数据指针以数据区域或块列表的形式存在；而在EXT4中，inode列出了属于文件的数据区域，数据区域是属于文件的连续数据块列表。 ## 2. 日志：保障数据安全与一致性 日志功能是在EXT3文件系统中引入的，其主要目的是解决fsck程序在恢复因文件更新操作期间异常关机而损坏的磁盘结构时所需的大量时间问题。日志会预先记录对文件系统执行的更改。 在写入数据时，不是直接将数据写入磁盘数据区域，而是先将文件数据及其元数据写入磁盘上指定的日志区域。数据安全存储在硬盘上后，再将其合并或追加到目标文件中，这样几乎不会丢失数据。在数据提交到磁盘数据区域时，日志会更新，以确保在系统故障导致日志中的所有数据未提交时，文件系统仍能保持一致状态。下次启动时，系统会检查文件系统的一致性，并将日志中剩余的数据提交到磁盘数据区域，以完成对目标文件的更新。 日志有三种模式可供选择： - **Journal**：元数据和文件内容在提交到主文件系统之前都写入日志，可靠性最高，但性能会受到影响，因为数据需要写入两次。 - **Writeback**：仅将元数据写入日志，文件内容不写入。这种模式速度较快，但可能会出现乱序写入的情况，在崩溃时追加的文件下次挂载时可能会出现垃圾数据。 - **Ordered**：类似于Writeback模式，但会强制在日志中将关联元数据标记为已提交之前写入文件内容。这是可靠性和性能之间的折衷选择，也是新创建的EXT4文件系统的默认模式。 可以通过以下方式设置日志模式： - 在`/etc/fstab`文件中作为挂载选项设置。 - 通过编辑`/etc/default/grub`中的GRUB内核选项行，将选项传递给内核作为启动参数。 日志功能显著减少了故障后检查硬盘一致性所需的时间，从数小时甚至数天缩短到最多几分钟。 ## 3. 数据分配策略：减少文件碎片化 EXT文件系统实现了多种数据分配策略，以确保文件碎片化程度最小化，从而提高文件系统性能。 ### 3.1 EXT4的数据区域分配 EXT4文件系统使用数据区域来管理数据分配。数据区域由其在硬盘上的起始和结束位置描述，这使得可以在单个inode指针条目中描述非常长的物理连续文件，从而显著减少描述大文件中所有数据位置所需的指针数量。 ### 3.2 分散文件存储 EXT4会将新创建的文件分散存储在磁盘上，避免像早期PC文件系统（如FAT）那样将文件集中在磁盘开头。文件分配算法会尽量将文件均匀分布在柱面组中，当需要碎片化时，会使不连续的文件数据区域尽量靠近属于同一文件的其他数据区域，以减少硬盘的寻道时间和旋转延迟。 ### 3.3 预分配存储空间 在创建新文件或扩展现有文件时，会预分配额外的存储空间，以确保文件扩展时不会自动碎片化。新文件不会紧挨着现有文件的末尾分配，这也减少或防止了现有文件的碎片化。 ### 3.4 延迟分配策略 EXT4还采用了延迟分配等功能策略，允许文件系统在分配空间之前收集所有要写入磁盘的数据，从而提高分配的数据空间连续的可能性。 ## 4. 数据碎片化：问题与解决 对于许多旧的PC文件系统（如FAT及其所有变体和NTFS），碎片化一直是导致硬盘性能下降的严重问题，催生了各种品牌的磁盘碎片整理软件。 旧的存储设备使用高速旋转的磁盘和移动磁头来定位数据读写传感器，文件碎片化会导致磁头寻道和等待所需数据块被读写头读取的时间增加，从而造成延迟。而SSD虽然也会出现文件碎片化，但由于其没有传统硬盘的旋转盘片和移动磁头，因此不会有性能损失。 Linux的扩展文件系统采用了数据分配策略，有助于减少硬盘上文件的碎片化，并降低碎片化发生时的影响。可以使用`fsck`命令检查EXT文件系统的总碎片化情况，例如检查主工作站的主目录： ```bash fsck -fn /dev/mapper/vg_01-home ``` 下面是一个检查VM主目录碎片化的实验示例： ```bash [root@studentvm1 ~]# fsck -fn /dev/mapper/fedora_studentvm1-home fsck from util-linux 2.38.1 e2fsck 1.46.5 (30-Dec-2021) Warning! /dev/mapper/fedora_studentvm1-home is mounted. Warning: skipping journal recovery because doing a read-only filesystem check. Pass 1: Checking inodes, blocks, and sizes Pass 2: Checking directory structure Pass 3: Checking directory connectivity Pass 4: Checking reference counts Pass 5: Checking group summary information Free blocks count wrong (147338, counted=147283). Fix? no Free inodes count wrong (128657, counted=128631). Fix? no home: 2415/131072 files (1.7% non-contiguous), 376950/524288 blocks ``` 从输出的最后一行可以看出，非连续块的比例为1.7%，这意味着碎片化程度较低。 由于大多数EXT文件系统的碎片化程度较低，通常不需要进行碎片整理。而且目前没有安全的工具可以对EXT1、EXT2和EXT3文件系统进行碎片整理。对于EXT4文件系统