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1 磁盤是怎樣工作的?

第一類，機械磁盤，也稱為硬盤驅動器(Hard Disk Driver)，通常縮寫為 HDD。磁盤有多個盤片，每個盤片雙面存儲。磁道(Track)磁頭(Head)在盤片上畫出的不同半徑的同心圓。柱面(Cylinder)全部盤片相同磁道組成的圓柱側面。柱面是從0開始編號，由外向內。柱面越靠外，吞吐量越大。(因為越靠外轉動的線速度越大。扇區(Sector)盤片上的扇形區域。每個扇區512字節。是硬盤的基本單位。從1開始編號。每個扇區中的數據作為一個單元同時讀出或寫入。硬盤的0柱面0磁頭1扇區是系統啟動時首先讀取的扇區。

第二類，固態磁盤(Solid State Disk)，通常縮寫為 SSD，由固態電子元器件組成。固態磁盤不需要磁道尋址，所以，不管是連續 I/O，還是隨機 I/O 的性能，都比機械磁盤要好得多。

2 磁盤邏輯結構概觀

磁盤讀寫的最小單位是扇區，然而扇區只有 512B 大小，如果每次都讀寫這么小的單位，效率一定很低。所以，文件系統Ext又把連續的扇區組成了邏輯塊，然后每次都以邏輯塊為最小單元，來管理數據。常見的邏輯塊大小為 4KB，也就是由連續的 8 個扇區組成。a)如果是一個啟動盤，我們需要預留一塊區域作為引導區，所以第一個塊組的前面要留 1K，用于啟動引導區。b)磁盤在執行文件系統格式化時，會被分成三個存儲區域，超級塊、索引節點區和數據塊區。

• 索引節點：簡稱為 inode，用來記錄文件的元數據，比如 inode 編號、文件大小、訪問權限、修改日期、數據的位置等。索引節點和文件一一對應，它跟文件內容一樣，都會被持久化存儲到磁盤中。所以記住，索引節點同樣占用磁盤空間。
• 數據塊：簡稱為block，普通文件用來記錄文件的數據。目錄文件的塊里面保存的是目錄里面一項一項的文件信息，每一項都會保存這個目錄的下一級的文件的文件名和對應的 inode，通過這個 inode，就能找到真正的文件。第一項是“.”，表示當前目錄，第二項是“…”，表示上一級目錄，接下來就是一項一項的文件名和 inode。
• 超級塊：簡稱為super_block。用于存儲文件系統自身元數據的核心結構。其中的信息包括空閑和以使用塊的數目、塊長度、當前文件系統的狀態、各種時間戳。還包括一個表示文件系統類型的魔數，能檢查mount確認文件系統的類型是否正確。一般只使用塊組0中的超級塊，因此也叫主超級塊。如果主超級塊信息損壞，可以從超級塊的備份信息中復制數據來修復。c)另外還有幾個概念了解一下：
• 組描述符表(GDT)：組描述符表包含的信息反映了文件系統中各個塊組的狀態。其中信息包含塊組中空閑塊和空閑inode的數目。每個塊組都包含了文件系統中所有塊組的組描述符信息。由于GDT對于定位文件系統的元數據非常重要，因此和超級塊一樣，也對其進行了備份。GDT及其備份的內容都是一樣的，所占塊數也相同。
• inode位圖：用二進制的方式記錄了inode的使用情況， 比如inode是否空閑等。
• 數據塊位圖：用二進制方式記錄了塊的使用情況。當查找或創建文件時，會掃描此位圖來尋找空閑的inode號對應的塊。一個塊組可以有32768(40968)個邏輯塊。每一個塊組均有自己的塊位圖與inode位圖，用于記錄本塊組中塊與inode的使用情況。一個邏輯塊的大小為4K。則一個塊位圖所描述的塊組最大為40968*4K=128MB。
• inode列表：包含了塊組中所有的inode，inode用于保存文件系統中與各個文件和目錄相連的所有元數據。

重要數據備份

默認情況下，超級塊和塊組描述符表都有副本保存在每一個塊組里面。如果開啟了 sparse_super(稀疏超級快) 特性，超級塊和塊組描述符表的副本只會保存在塊組索引為 0、3、5、7 的整數冪里。除了塊組 0 中存在一個超級塊外，在塊組 1(30=1)的第一個塊中存在一個副本;在塊組 3(31=3)、塊組 5(51=5)、塊組 7(71=7)、塊組 9(32=9)、塊組 25(52=25)、塊組 27(33=27)的第一個 block 處也存在一個副本。對于超級塊來講，由于超級塊不是很大，所以就算我們備份多了也沒有太多問題。但是，對于塊組描述符表來講，如果每個塊組里面都保存一份完整的塊組描述符表，一方面很浪費空間;另一個方面，由于一個塊組最大 128M，而塊組描述符表里面有多少項，這就限制了有多少個塊組，128M * 塊組的總數目是整個文件系統的大小，就被限制住了。這樣會產生一個限制，以Ext4的塊組描述符大小64 Bytes計算，文件系統中最多只能有2^21個塊組，也就是文件系統最大為256TB。

Flexible Block Groups

這是ext4引入的一個特點。就是將連續的多個block groups綁在一起組成一個邏輯塊組，稱之為flex_group。在一個flex_group中，第一個物理block group是存放當前flex_group全部的bitmap、inode表。也就是說將幾個塊組合并為一個更大的塊組。比如flex_group的大小為4(就是由4個塊組組成)，其中的group0將按順序存放Super Block、GDT、4個塊組的塊位圖、4個塊組的inode位圖、4個塊組的inode表，剩余的空間是用作數據塊。就是說ext4將幾個塊組合并為一個更大的塊組。

flex_group塊組的作用是：

• 聚集元數據，加速元數據載入
• 使得大文件在磁盤上盡量連續 即使開啟flex_bg特性，超級塊和塊組描述符的冗余備份仍然位于塊組的開頭。Flex_bg中塊組的個數由2^ext4_super_block.s_log_groups_per_flex 給出。這是為了減少磁盤尋道操作，將頻繁訪問的塊組資源放在連續空間上。同時也能一次申請更多的塊;因為一次性申請的塊最大數目是一個組的塊數。

Ext4引入Meta Block Groups

首先，塊組描述符表不會保存所有塊組的描述符了，而是將塊組分成多個組，我們稱為元塊組(Meta Block Group)。每個元塊組里面的塊組描述符表僅僅包括自己的，一個元塊組包含 64 個塊組，這樣一個元塊組中的塊組描述符表最多 64 項。我們假設一共有 256 個塊組，原來是一個整的塊組描述符表，里面有 256 項，要備份就全備份，現在分成 4 個元塊組，每個元塊組里面的塊組描述符表就只有 64 項了，這就小多了，而且四個元塊組自己備份自己的。

根據圖中，每一個元塊組包含 64 個塊組，塊組描述符表也是 64 項，備份三份，在元塊組的第一個，第二個和最后一個塊組的開始處。這樣化整為零，我們就可以發揮出 ext4 的 48 位塊尋址的優勢了，在超級塊 ext4_super_block 的定義中，我們可以看到塊尋址分為高位和低位，均為 32 位，其中有用的是 48 位，2^48 個塊是 1EB，足夠用了。

struct ext4_super_block { 
...... 
  __le32  s_blocks_count_lo;  /* Blocks count */ 
  __le32  s_r_blocks_count_lo;  /* Reserved blocks count */ 
  __le32  s_free_blocks_count_lo;  /* Free blocks count */ 
...... 
  __le32  s_blocks_count_hi;  /* Blocks count */ 
  __le32  s_r_blocks_count_hi;  /* Reserved blocks count */ 
  __le32  s_free_blocks_count_hi;  /* Free blocks count */ 
...... 
} 

3 數據塊和Inode分配策略

在機械磁盤上，保持相關的數據塊相互接近可以總的磁頭移動時間，因而可以加速磁盤IO。在SSD上雖然沒有磁頭轉動，數據局部性可以增加每次IO請求的傳輸的數據大小，因而減少響應IO請求的傳輸次數。數據的局部性對單個擦除塊的寫入產生影響，可以加速文件重寫的速度。因而盡可能減少碎片是必要的。inode和數據塊的分配策略可以保證數據的局部集中。以下為inode和數據塊的分配策略：

• 多塊分配可以減少磁盤碎片。當文件初次創建的時候，塊分配器預測性地分配8KB的磁盤空間給文件。當文件關閉的時候，未使用的空間當然也就釋放了。但是如果推測是正確的，那么文件數據將寫到一個多個塊的extent中。
• 延遲分配。當一個文件需要更多的數據塊引起寫操作時，文件系統推遲決定新數據在磁盤上的存放位置，直到臟的buffer寫到磁盤為止。
• 盡量保持文件的數據塊與其inode在同一個塊組中。可以減少磁盤尋道時間.
• 盡量保持同一個目錄中的所有inodes與目錄位于同一個塊組中。這樣的假設前提是一個目錄中的文件是相關的。
• 磁盤卷被分成128MB的塊組。當在根目錄中創建目錄時，inode分配器掃描塊組并將新目錄放到它找到的使用負荷最小的塊組中。這可以保證目錄在磁盤上的分散性。
• 即使上述機制無效，仍然可以使用e4defrag整理碎片文件。

4 硬鏈接與軟鏈接

a)硬鏈接：

• 多個文件指向同一個inode，這些文件的inode number相同
• 硬鏈接表明文件可以通過不同的文件名訪問
• 不能對目錄創建硬鏈接
• 硬鏈接不能跨分區
• 每多一個硬鏈接，inode的引用計數(鏈接數)+1 b)軟鏈接(符號鏈接)：
• 文件及其軟鏈接文件，使用的不是同一個inode，inode number不一樣;
• 軟鏈接文件的實際數據是另一個文件的路徑，是一個字符串，軟鏈接文件的大小為該字符串的長度;
• 可以對目錄創建軟鏈接
• 軟鏈接可以跨分區
• 增加文件軟鏈接，不會增加inode的引用計數