[ext4] 磁盘布局 - extent tree

传统的类Unix文件系统，比如Ext3，都是使用一个间接数据块映射表来记录每一个数据块的分配情况的。但是这种机制对于超大文件的存储是有缺陷的，特别是当对超大文件进行删除和截断操作时。映射表会对每一个数据块进行记录，而一个超大文件将占有很多的数据块，因此造成映射表将变得无比臃肿，难于维护。

Ext4引入了一个新的概念，叫做“Extents”。一个Extents是一个地址连续的数据块(block)的集合。比如一个100MB的文件有可能被分配给一个单独的Extents，这样就不用像Ext3那样新增25600个数据块的记录（一个数据块是4KB）。而超大型文件会被分解在多个extents里。

很明显，Extents的实现提高了文件系统的性能，减少了文件碎片。

Exents是如何在磁盘上存放的哪？

注：本文所介绍的结构体都是直接存放在磁盘上结构.

在extent tree中，每一个节点都是一个block，对于存放extent tree节点信息的block，我们可以称之为extent block。当然其根节点是存放在inode table中，所以根节点所在的block就不这么称呼了。每个节点在其offset为0的地方都有一个结构体ext4_extent_header用于描述该节点。

结构体header的大小为12bytes，其定义在文件ext4_extents.h中。

/*

 * Each block(leaves and indexes), even inode-stored has header.

 */

struct ext4_extent_header {

    /*ext4 extents标识0xF30A. */

    __le16  eh_magic;   /*probably will support different formats */

    /* 当前节点中有效entries的数目 */

    __le16  eh_entries; /*number of valid entries */

    /* 当前节点中entry的最大数目 */

    __le16  eh_max;     /*capacity of store in entries */

/* 当前节点在树中的深度 */

    __le16  eh_depth;   /*has tree real underlying blocks? */

    __le32  eh_generation;  /*generation of the tree */

};

在该结构体中，针对当前节点在树中的深度说要说明的是：

1. 叶子节点，深度为0，指向数据extent。

2.tree中最大深度的节点是根节点；

3. 深度最大为5：logic block number最大为2^32， 满足4*(((blocksize - 12)/12)^n) >= 2^32 条件的最小n是5。

节点中存放的ext4_extent_header数据之后都是很多entry(即表项)，每个entry大小为12bytes。如果是非叶子节点(所谓非叶子节点，即ext4_extent_header -> eh_depth > 0)，每个entry中存放是index数据，由struct ext4_extent_idx描述，每一个entry索引都指向一个extent block；如果是叶子节点(所谓叶子节点，即ext4_extent_header -> eh_depth =0)，每个entry都是指向一个extent，由struct ext4_extent描述。每个ext4_extent。

我们先来分析一下ext4_extent_idx结构体，如前所述，ext4_extent_idx是用于描述extent block的一个结构体，通过该结构体，可以寻找到下一级的节点。

struct ext4_extent_idx {

    /* 索引所覆盖的文件范围的起始block */

    __le32  ei_block;   /*index covers logical blocks from 'block' */

    /* 下一级extent block的逻辑地址的低32位 */

    __le32  ei_leaf_lo; /*pointer to the physical block of the next *

                 * level. leaf or next index could be there */

    /* 下一级extent block的逻辑地址的高16位 */

    __le16  ei_leaf_hi; /*high 16 bits of physical block */

    __u16   ei_unused;

};

ext4_extent是用于表示extent的数据结构：

/*

 * This isthe extent on-disk structure.

 * It's usedat the bottom of the tree.

 */

struct ext4_extent {

    /* extent的起始block地址 */

    __le32  ee_block;   /*first logical block extent covers */

    /*extent的长度 */

    __le16  ee_len;     /*number of blocks covered by extent */

    /*extent起始block的物理地址的高16位 */

    __le16  ee_start_hi;    /*high 16 bits of physical block */

    /*extent起始block的物理地址的低32位 */

    __le32  ee_start_lo;    /*low 32 bits of physical block */

};

关于extent的成员变量ee_len，需要说明的是：如果该值<=32768,那么这个extent已经初始化的。如果该值>32768,这个extent还没有初始化，并且extent长度是ee_len-32768.因此一个初始化的extent，其最大长度是32768，而一个未初始化的extent，最大长度是32767。

前述已经介绍过checksums。Header和extent entries并未占用整个block。因为2^12 % 12 >= 4，因此block中至少还剩余4bytes的未用空间。那么32位的校验值可以存放在该空间中。当然inode中可能表示的4个extents并不需要校验，因为inode已经进行了校验。（为什么这么解释，原因是，除根节点外的所有的extent block都进行了校验）。

存放校验值的结构体为ext4_extent_tail。

/*

 * This isthe extent tail on-disk structure.

 * All otherextent structures are 12 bytes long.  Itturns out that

 * block_size% 12 >= 4 for at least all powers of 2 greater than 512, which

 * covers allvalid ext4 block sizes.  Therefore, thistail structure can be

 * crammedinto the end of the block without having to rebalance the tree.

 */

struct ext4_extent_tail {

    __le32  et_checksum;    /*crc32c(uuid+inum+extent_block) */

};

 

至此，extent tree所涉及的且存放在磁盘的变量数据均介绍完毕，那么我们可以画一幅图用于表示exent block的布局，如下：

header

entry

……

entry

tail

 

欢迎提出建议。

作者：Younger Liu，

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