20191317王鹏宇第11章学习笔记

第11章：EXT2文件系统

知识点归纳总结：

本章讨论EXT2文件系统。本章将引导读者实现一个完全与Linux兼容的完整EXT2文件系统。前提是，只要读者充分理解了一个文件系统，那么就可以轻松改编其他任何文件系统。

本章首先描述了EXT2文件系统在Linux中的历史地位以及EXT3/EXT4文件系统的当前状况；

用编程示例展示了各种EXT2数据结构以及如何遍历EXT2文件系统树；介绍了如何实现支持Linux内核中所有文件操作的EXT2文件系统；

展示了如何通过虚拟磁盘的mount_root来构建基本文件系统；

将文件系统的实现划分为3个级别，级别1扩展了基本文件系统，以实现文件系统树，级别2实现了文件内容的读/写操作，级别3实现了文件系统的挂载/装載和文件保护；

描述了各个级别文件系统函数的算法，并通过编程示例演示了它 们的实现过程；

将所有级别融合到一个编程项目中；最后，将所有编程示例和练习整合到一 个完全有效的文件系统中。

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其中让我最有收获的几个部分如下：

• EXT2文件系统数据结构
• 邮差算法
• 教材编程实例
• 超级块
• 索引节点
• 块组描述符
• 文件系统项目的扩展

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超级块重要字段：
__u32 s_inodes_count：//文件系统中节点总数
__u32 s_blocks_count：//文件系统中块总数
__u32 s_r_blocks_count😕/为超级用户保留的块数
__u32 s_free_blocks_count 😕/文件系统中空闲块总数
__u32 s_mtime：//文件系统的挂接时间
__u32 s_wtime：//最后一次对该超级块进行写操作的时间
__u32 s_magic ：//魔数签名，用于确定文件系统版本的标志
__u32 s_inodes_per_group：表示每个组块的inode数目，查找文件inode所在块的位置很重要
__u32 s_mnt_count：//文件系统挂接计数
__u32 s_max_mnt_count：//文件系统最大挂接计数
__u32 s_state：//文件系统的状态

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util.c重要函数介绍：

get_block/put_block:我们假设某个块设备，例如真实磁盘或虚拟磁盘，只能以块大小为单位读写。对于真实磁盘，这是因为受到硬件的限制。对于虚拟磁盘，我们假设也是以块大小为单位读/写，这样就可以在需要时将代码移植到真实磁盘上。在虚拟磁盘上，我们先以读|写模式打开它，并使用文件描述符作为设备号。

iget(dev,ino):该函数返回一个指针，指向包含INODE(dev, ino)的内存 minodeo返回的minode是唯一的，即内存中只存在一个INODE副本。在实际文件系统中， 返回的minode被锁定为独占使用，直到它被释放或解锁。

input(INODE *mip):该函数会释放一个mip指向的用完的minode0每 个minode都有一个refCount,表示使用minode. iput()的用户数量为refCount减1。如 果refCount 非零，则表示minode仍有其他用户，那么调用者只是返回。如果调用者是 minode的最后一个用户(refCount = 0 ),那么如果INODE被修改(dirty),它将被写回磁盘。

getino():getino()函数可实现文件系统树遍历算法。它会返回指定路径名的INODE编号(ino)。首先，我们假设在1级文件系统的实现中，文件系统属于单个根设备, 不存在挂载设备和挂载点交叉。因此，getino()函数本质上返回的是路径名的(dev, ino)。

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文件系统项目的扩展：

简单的EXT2文件系统使用IKB块大小，只有一个磁盘块组。它可以轻松进行以下扩展。

(1)多个组：组描述符的大小为32字节”对于1KB大小的块，一个块可能包含 1024/32 = 32组描述符。32个组的文件系统大小可以扩展为32*8 = 256MB.

(2)4KB大小的块：对于4KB大小的块和一个组，文件系统大小应为48 = 32MB。对于一个组描述符块，文件系统可能有128个组，可将文件系统大小扩展到12832 = 4GB。 对于2个组描述符块，文件系统大小为8GB等。大多数扩展都很简单，适合用于编程项目。

(3)管道文件：管道可实现为普通文件，这些文件遵循管道的读/写协议。此方案的优点是：它统一了管道和文件索引节点，并允许可被不相关进程使用的命名管道。为支持快速读/写操作，管道内容应在内存中，比如在RAMdisk中。必要时，读者可将命名管道实现为FIFO文件.

(4)I/O缓冲：在编程项目中，每个磁盘块都是直接读写的。这会产生过多的物理磁盘I/O操作。为提髙效率，实际文件系统通常使用一系列I/O缓冲区作为磁盘块的缓存内存。

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实践内容：教材实例编程superblock.c：
代码：

/*********** superblock.c program ************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/io.h>
#include <ext2fs/ext2_fs.h>
// Cypedef u8, ul6, u32 SUPER for convenience typedef typedef typedef
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned short ul6;
typedef unsigned int u32;
typedef struct ext2_super_block SUPER;
SUPER *sp;
char buf[1024];
int fd, blksize, inodesize;
int print(char *s, u32 x)
{
    printf("%-30s = %8d\n", s, x);
}
int super(char *device)
{
    fd = open(device, O_RDONLY);
    if (fd < 0) 
    {
        printf("open %s failed\n", device); 
        exit(1);
    }
    lseek(fd, (long)1024*1, 0);	// block 1 or offset 1024
    read(fd, buf, 1024);
    sp = (SUPER *)buf;	// as a super block structure
    // check for EXT2 FS magic number
    printf("%-30s = %8x ", "s_magic", sp->s_magic);
    if (sp->s_magic != 0xEF53)
    {
        printf("NOT an EXT2 FS\n"); exit(2);
    }
    printf("EXT2 FS OK\n"); 
    print("s_inodes_count",  sp->s_inodes_count);
    print("s_blocks _count", sp->s_blocks_count); 
    print("s_r_blocks_count", sp->s_r_blocks_count);
    print("s_free_inodes_count", sp->s_free_inodes_count);
    print("s_free_blocks_count", sp->s_free_blocks_count);
    print("s_first_data_blcok", sp->s_first_data_block); 
    print("s_log_block_s i z e", sp->s_log_block_size);
    print("s_blocks_per_group", sp->s_blocks_per_group); 
    print("s_inodes_per_group", sp-> s_inodes_per_group); 
    print("s_mnt_count", sp->s_mnt_count);
    print("s_max_mnt_count", sp-> s_max_mnt_count);
 
    printf("%-30s = %8x\n", "s_magic", sp->s_magic); 
    
    printf ("s_mtime = %s\n", ctime ((const time_t *)&sp->s_mtime)); 
    printf ("s_wtime = %s", ctime ((const time_t *)&sp->s_wtime)); 
    blksize = 1024 * (1 << sp->s_log_block_size);
    printf("block size = %d\n", blksize);
    printf("inode size = %d\n", sp->s_inode_size);
}

char *device = "vdisk";	// default device name
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc>1)
        device = argv[1];
    super(device);
}

实践截图：

这里的报错信息很离谱，因为头文件缺失，特别是ext2fs.h头文件，在我的openeuler系统上根本下不了，唯一办法就是手动安装，在网上下载好后，挪到/usr/include文件夹中。而且不仅是ext2fs头文件，还有很多其他的头文件也出现了缺失，我现在很怀疑教材代码的真实性。而且因为运行结果中的s_wtime值一直是null，后来经过查找后才了解字段意义，是因为我在创建虚拟磁盘后并没有挂载，所以没有显示。

参考网站

实践内容：教材实例编程imap.c：
代码：

/*** imap program **************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/io.h>
#include <ext2fs/ext2_fs.h>
typedef unsigned char u8;
typedef struct ext2_super_block SUPER;
typedef struct ext2_group_desc GD;
#define BLKSIZE 1024

SUPER *sp;
GD *gp;
char buf[BLKSIZE]; 
int fd;
// get_block() reads a disk block into a buf[]?
int get_block(int fd, int blk, char *buf)
{
    lseek(fd, (long)blk*BLKSIZE, SEEK_SET); 
    return read(fd, buf, BLKSIZE);
}

int imap(char *device)
{
    int i, ninodes, blksize, imapblk;
    fd = open(device, O_RDONLY);
    if (fd < 0) 
    {
        printf("open %s failed\n", device);
        exit(1);
    }
    get_block(fd, 1, buf);	// get superblock
    sp = (SUPER *)buf;
    // check magic number to ensure itz s an EXT2 FS ninodes = sp->s_inodes_count	//
    ninodes = sp->s_inodes_count;
    printf("ninodes = %d\n", ninodes);
    get_block(fd, 2, buf);	//
    gp = (GD *)buf;
    imapblk = gp->bg_inode_bitmap;	
    printf("imapblk = %d\n", imapblk);
    get_block(fd, imapblk, buf);	
    for ( i = 0; i <= ninodes/8; i++)
    {
        printf("%02x ", (u8)buf[i]);
    }
    printf("\n");
}
char *dev = "vdisk";
int main(int argc, char*argv[])
{
    if(argc>1) dev = argv[1];
    imap(dev);
}

实践截图：

这里可以看出，同样也是头文件缺失的问题，也是需要自行补充头文件。

实践内容：教材实例编程inode.c：
代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/io.h>
#include <ext2fs/ext2_fs.h>
#define BLKSIZE 1024
typedef struct ext2_group_desc GD;
typedef struct ext2_super_block SUPER;
typedef struct ext2_dir_entry_2 DIR;
typedef struct ext2_inode INODE;
SUPER *sp;
GD *gp;
INODE *ip;
DIR *dp;
char buf[BLKSIZE];
int fd,firstdata, inodesize ,blksize, iblock;
char *dev = "vdisk";

int get_block(int fd, int blk, char *buf)
{
    lseek(fd, blk*BLKSIZE, SEEK_SET);
    return read(fd, buf, BLKSIZE);
}

int inode (char *dev)
{
    int i;
    fd = open(dev, O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        printf("open faild\n");
        exit(1);
    }
    get_block(fd, 2, buf);
    gp = (GD *)buf;
    printf("bmap_block=%d imap_block=%d inodes_table=%d \n", 
            gp->bg_block_bitmap,
            gp->bg_inode_bitmap,
            gp->bg_inode_table);
    iblock = gp->bg_inode_table;
    printf("----root inode information----\n");
    get_block(fd, iblock, buf);
    ip = (INODE *)buf;
    ip++;
    printf("mode = %4x ",ip->i_mode);
    printf("uid = %d gid = %d\n", ip->i_uid, ip->i_gid);
    printf("size = %d\n", ip->i_size);
    
    //unsigned int tmp = ip->i_ctime;
    printf("ctime = %s",ctime((const time_t *)&ip->i_ctime));
    printf("links = %d\n", ip->i_links_count);
    for ( i = 0; i < 15; i++)
    {
        if(ip->i_block[i])
        {
            printf("i_block[%d] = %d\n", i, ip->i_block[i]);
        }
    }
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc>1) dev = argv[1];
    inode(dev);
}

实践截图：

从这里可以看出，ctime报错，而且报错原因是传递ctime的第一个参数时，在不兼容的指针类型间转换，解决方法也十分简单，就是对参数进行强制类型转换。ctime((const time_t *)&ip->i_ctime)，在&ip->i_ctime前加上(const time_t *)将其转换为允许的格式。

从截图可以看出，成功解决ctime报错的问题。