20211320LDK《Unix/Linux系统编程》第十一章学习笔记

一、知识点归纳总结

1.EXT2文件系统简介

多年来，Linux一直使用EXT2（Card等1995）作为默认文件系统。EXT3（EXT3，2014）是EXT2的扩展。EXT3中增加的主要内容是一个日志文件，它将文件系统的变更记录在日志中。日志可在文件系统崩溃时更快地从错误中恢复。没有错误的EXT3文件系统与EXT2文件系统相同。EXT3的最新扩展是EXT4（Cao等2007）。EXT4的主要变化是磁盘块的分配。在EXT4中，块编号为48位。EXT4不是分配不连续的磁盘块，而是分配连续的磁盘块区，称为区段。除了这些细微的更改之外，文件系统结构和文件操作保持不变。

2.EXT2文件系统的数据结构

2.1 创建虚拟磁盘

在Linux下，命令mke2fs [-b blkesize -N ninodes] device nblocks可以在设备上创建一个带有nblocks个块（每个块大小为blksize字节）和ninodes个索引节点的EXT2文件系统。设备可以是真实设备，也可以是虚拟磁盘文件。如果未指定blksize，则默认块大小为1KB。如果未指定ninoides，mke2fs将根据 nblocks 计算一个默认的ninodes数。得到的EXT2文件系统可在Linux中使用。
我们可以在一个名为vdisk的虚拟磁盘文件上创建一个有1440个大小为1kb的块的EXT2文件系统：

上述的EXT2文件系统的简单布局如下图：

2.2 Block #1：超级块

（在硬盘分区中字节偏移量为1024）是用于容纳关于整个文件系统的信息的。以下是超级块结构中的一些重要字段：

struct ext2_super_block
{u32 s_inodes_count;       // Inodes countu32 s_blocks_count;       // Blocks countu32 s_r_blocks_count;     // Reserved blocks countu32 s_free_blocks_count;  // Free blocks countu32 s_free_inodes_count;  // Free inodes countu32 s_first_data_block;   // First Data Blocku32 s_log_block_size;     // Block sizeu32 s_log_cluster_size;   // Allocation cluster sizeu32 s_blocks_per_group;   // # Blocks per groupu32 s_clusters_per_group; // # Fragments per groupu32 s_inodes_per_group;   // # Inodes per groupu32 s_mtime;              // Mount timeu32 s_wtime;              // Write timeu32 s_mnt_count;          // Mount countu16 s_max_mnt_count;      // Maximal mount countu16 s_magic;              // Magic signature// more non-essential fieldsu16 s_inode_size; // size of inode structure
};

Block#2：块组描述块（硬盘上的s_first_data_blocks-1） EXT2将磁盘块分成几个组。每个组有8192个块（硬盘上的大小为32K）。每组用一个块组描述符结构体描述：

struct ext2_group_desc
{u32 bg_block_bitmap; // Bmap block numberu32 bg_inode_bitmap; // Imap block numberu32 bg_inode_table; // Inodes begin block numberu16 bg_free_blocks_count; // THESE are OBVIOUSu16 bg_free_inodes_count;ul6 bg_used_dirs_count;u16 bg_pad; // ignore theseu32 bg_reserved[3];}；

需要注意的是，由于一个虚拟软盘（FD）只有1440个块，而B2就只包含一个块组描述符。其中重要的字段是bg_block_bitmap、bg_inode_bitmap和bg_inode_table，他们分别指向块组的块位图、索引节点位图和索引节点起始块，而对于Linux格式的EXT2文件系统，保留了块3和7，所以它们分别为8，9，10。

2.3 Block#10：索引（开始）节点块

Block#10：索引（开始）节点块，每个文件都用一个128节点的独特索引节点结构体表示。下面是主要索引节点字段：

struct ext2_inode
{u16 i_mode; // 16 bits=|tttt |ugs|rwx|rwx|rwxlul6 i_uid; // owner uidu32 i_size; // file size in bytesu32 i_atime; // time fields in secondsu32 1_ctime; // since 00:00:00,1-1-1970u32 i_mtime;u32 i_dtime;i_gid; // group ID u16 i_links_count; // hard-link countu32 i_blocks; // number of 512-byte sectorsu32 i_flags; // IGNORE u32 i_reservedl; // IGNORE u32 i_block[15]; // See details belowu32 i_pad[7]; // for inode size = 128 bytes}

其中i_block[15]数组包括指向文件磁盘块的指针，这些磁盘块有

• 直接块：0-11指向直接磁盘块；
• 间接块：12指向一个包含256个块编号的磁盘块，每个块编号指向一个磁盘块；
• 双重间接块：13指向一个指向256个的块，每个块指向256个磁盘块；
• 三重间接块：14是三重间接块，对于小型的“EXT2”文件系统，可以忽略这个块。

索引节点大小（128或256）用于平均分割块大小（1KB或4KB），所以，每个索引节点块都包含整数个索引节点。在简单的EXT2文件系统中，索引节点的数量是184个（Linux默认值）。索引节点块数等于184/8=23个。因此，索引节点块为B10至B32。每个索引节点都有一个唯一的索引节点编号，即索引节点在索引节点块上的位置+1。注意，索引节点位置从0开始计数，而索引节点编号从1开始计数。0索引节点编号表示没有索引节点。根目录的索引节点编号为2。同样，磁盘块编号也从1开始计数，因为文件系统从未使用块0。块编号0表示没有磁盘块。

3. 邮差算法

算法结构如下：
LA <=> BA

LA = infoBA = (blcok, inode)

INODES_PER_BLCOK = BLCOK_SIZE/sizeof(INODE)

blcok = (info - 1) * INODES_PER_BLCOK + inode_table;inode = (info - 1) % INODES_PER_BLCOK

教材上11.4给出了算法的具体实现，可以参考。

4. 遍历EXT2文件系统树

遍历算法

1. 读取超级块。检查幻数s magic（0xEF53），验证它确实是 EXT2 FS。
2. 读取块组描述符块（1+s first data block），以访问组0描述符。从块组描述符的bg_ inode_table条目中找到索引节点的起始块编号，并将其称为InodesBeginBlock。
3. 读取InodeBeginBlock，获取/的索引节点，即INODE #2。
4. 将路径名标记为组件字符串，假设组件数量为 n。例如，如果路径名=/a/b/c，则组件字符串是"a"“b”“c”，其中n=3。用name【0】，name【1】，…，name【n-1】来表示组件。
5. 从3.中的根索引节点开始，在其数据块中搜索 name【0】。为简单起见，我们可以假设某个目录中的条目数量很少，因此一个目录索引节点只有12个直接数据块。有了这个假设，就可以在12个（非零）直接块中搜索 name【0】。目录索引节点的每个数据块都包含以下形式的 dir_entry结构体：[ino rec_len name_len NAME] [ino rec_len name_len NAME]
6. 使用索引节点号ino 来定位相应的索引节点。回想前面的内容，ino 从1开始计数。使用邮差算法计算包含索引节点的磁盘块及其在该块中的偏移量

blk = (ino - 1) * INODES_PER_BLOCK + InodesBeginBlock;
offset = (ino - 1) % INODES_PER_BLOCK;

然后在索引节点中读取/a,从中确定它是否是一个目录(DIR)。如果/a不是目录，则不能有/a/b,因此搜索失败。如果它是目录，并且有更多需要搜索的组件，那么继续搜索 下一个组件name【1】。现在的问题是：在索引节点中搜索/a的name【1】,与第5步相同。
可以编写一个搜索函数方便5~6步的循环。

二、苏格拉底大挑战

三、问题和解决思路

安装头文件时出错，询问gpt

四、代码实践

1.创建虚拟磁盘

2.使用df命令查看目前在 Linux 系统上的文件系统磁盘使用情况统计