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(1.文華學(xué)院,武漢 430086；2.湖北工業(yè)大學(xué))

Linux下Ext2文件系統(tǒng)的精剪與優(yōu)化設(shè)計(jì)*

周俊杰1,柯躍2

(1.文華學(xué)院,武漢 430086；2.湖北工業(yè)大學(xué))

基于Linux系統(tǒng)通過(guò)精細(xì)剪裁和優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建開(kāi)發(fā)了一個(gè)Linux多級(jí)用戶的Ext2二級(jí)文件系統(tǒng)，以作GPS等專業(yè)嵌入式的文件系統(tǒng)。其系統(tǒng)包括各基本實(shí)體(索引節(jié)點(diǎn)、目錄節(jié)點(diǎn)、文件節(jié)點(diǎn)等)的定義和各功能模塊的定義及實(shí)現(xiàn)，最后展示了系統(tǒng)部分功能模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)。本文所構(gòu)造的Linux文件系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)測(cè)試并取得了良好效果。

Linux；Ext2；文件系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

Linux系統(tǒng)幾乎支持現(xiàn)在所有的主流文件系統(tǒng)，這些文件系統(tǒng)都能掛載到Linux系統(tǒng)上，并對(duì)其進(jìn)行操作。在此基礎(chǔ)上，Linux將對(duì)應(yīng)的文件系統(tǒng)和其相應(yīng)的一些操作封裝到一起，繼而進(jìn)一步抽象產(chǎn)生了Linux中重要的文件系統(tǒng)機(jī)制，即VFS(虛擬文件系統(tǒng))[1]。而在所有的文件系統(tǒng)具體操作下一層又加入了一個(gè)緩沖區(qū)，以提高不同文件系統(tǒng)間的讀寫(xiě)操作速度。對(duì)于Linux系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所有的設(shè)備都是文件，包括目錄。正是這種抽象，使得Linux的操作變得簡(jiǎn)單、高效，系統(tǒng)整體穩(wěn)定安全。

本文首先介紹了自主實(shí)現(xiàn)的文件系統(tǒng)——Ext2文件系統(tǒng)，分析了它的結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)原理，以及底層分配設(shè)計(jì)和層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。然后詳細(xì)敘述自主開(kāi)發(fā)的文件系統(tǒng)的底層架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及重要模塊的具體實(shí)現(xiàn)流程。最后對(duì)主要模塊的功能進(jìn)行了測(cè)試，以驗(yàn)證本文件系統(tǒng)的可行性。

1 Ext2文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)分析

Ext2是GNU/Linux 系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，由于其采用簇塊取層的優(yōu)良設(shè)計(jì)，因此存取文件的性能好[2]。一個(gè)磁盤分區(qū)一般分為1 024、2 048和4 096字節(jié)大小的塊，根據(jù)不同的使用，可分為不同的塊，主要包括超級(jí)塊(Super Block)、inode塊和數(shù)據(jù)塊。超級(jí)塊描述了文件系統(tǒng)的基本信息，inode塊記錄了文件的屬性，是文件系統(tǒng)中的基本單元，是文件系統(tǒng)中的索引。Ext2文件系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Ext2文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Linux的文件系統(tǒng)將硬盤分區(qū)時(shí)會(huì)劃分出超級(jí)塊、inode Table區(qū)塊和Data Block數(shù)據(jù)區(qū)域。一個(gè)文件由一個(gè)超級(jí)塊、inode和數(shù)據(jù)區(qū)域塊組成。當(dāng)查看某個(gè)文件時(shí)，先從inode Table中查出文件屬性及數(shù)據(jù)存放點(diǎn)，再?gòu)臄?shù)據(jù)塊中讀取數(shù)據(jù)。

2 Ext2文件系統(tǒng)的精剪結(jié)構(gòu)與優(yōu)化管理

2.1 物理硬盤設(shè)計(jì)

本文件系統(tǒng)其硬盤是模擬硬盤，即以一個(gè)二進(jìn)制文件(.iso文件)來(lái)模擬真正的硬盤。本系統(tǒng)中所有的操作都是對(duì)此二進(jìn)制文件進(jìn)行，所以本文件系統(tǒng)并沒(méi)有真正的硬件設(shè)施，也就沒(méi)有硬件驅(qū)動(dòng)層。模擬硬盤的分區(qū)如圖2所示。

圖2 模擬硬盤分區(qū)圖

在磁盤初始化的過(guò)程中會(huì)將數(shù)據(jù)區(qū)(0x0 4400～0x3 9c00)分為若干塊，每塊512字節(jié)，將其中的第0塊作為主目錄區(qū)，即存儲(chǔ)目錄區(qū)。第1塊用作etc配置信息區(qū)，存儲(chǔ)與本文件系統(tǒng)具體配置有關(guān)的信息。第2塊當(dāng)成pwd信息區(qū)，即存儲(chǔ)已注冊(cè)用戶的id、name和對(duì)應(yīng)的密碼信息。從第3塊到結(jié)尾分為若干組，每組共50個(gè)數(shù)據(jù)塊。每組的第一個(gè)塊用來(lái)保存本組數(shù)據(jù)塊的物理偏移信息。如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)區(qū)詳細(xì)劃分圖

2.2 物理塊分配尋址方式設(shè)計(jì)

由于在Linux中所有的設(shè)備和信息集合都可以被看成文件，所以本系統(tǒng)中為每個(gè)具體文件和目錄文件都創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)應(yīng)的inode(索引節(jié)點(diǎn))。根據(jù)目錄或文件中的inode就可以找到對(duì)應(yīng)的inode。而此inode中已經(jīng)記錄了對(duì)應(yīng)文件的大小以及對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)。通過(guò)這種方式就可以很容易對(duì)具體文件進(jìn)行尋址定位。其具體尋址方式如圖4所示。

圖4 文件尋址示意圖

2.3 塊管理功能設(shè)計(jì)

塊管理主要有inode塊和空閑物理塊兩種。由于Linux系統(tǒng)中inode節(jié)點(diǎn)信息是線性的，而本系統(tǒng)也繼承了這個(gè)特性。從理論上來(lái)說(shuō)，inode節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有必要保存本身的inode號(hào)(在線性序列中的序列號(hào))信息。雖然這種實(shí)現(xiàn)方式很簡(jiǎn)單，但這給inode節(jié)點(diǎn)的管理帶來(lái)了很大的麻煩。當(dāng)需要新建inode時(shí)，可直接插在序列后面。但當(dāng)刪除某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)就很麻煩，因?yàn)榇斯?jié)點(diǎn)之后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的inode號(hào)都會(huì)相應(yīng)地減小1。除此之外，對(duì)應(yīng)文件中的inode號(hào)也必須要同步更新，否則在文件尋址時(shí)就會(huì)出現(xiàn)混亂，甚至?xí)采w重要的信息。所以本系統(tǒng)中inode節(jié)點(diǎn)也保存有自身的inode號(hào)，與文件或目錄中的inode號(hào)相同。

但此時(shí)會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題，即如何對(duì)刪除的inode物理空間進(jìn)行回收。本系統(tǒng)給出的方法是：刪除時(shí)不回收具體物理空間，通過(guò)使用一個(gè)標(biāo)識(shí)數(shù)組來(lái)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的inode塊是否可以使用，從而重復(fù)管理利用inode空間。此標(biāo)識(shí)數(shù)組初始化時(shí)全為0。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)inode時(shí)，首先會(huì)在標(biāo)識(shí)數(shù)組中找到第一個(gè)為0的塊，將此塊分配給新建的inode節(jié)點(diǎn)。inode號(hào)對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)數(shù)組位置會(huì)被置1，表示不可使用。當(dāng)刪除inode時(shí)，直接將邏輯節(jié)點(diǎn)刪除，將物理節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)數(shù)組對(duì)應(yīng)位置0即可。在退出本系統(tǒng)時(shí)，再將inode標(biāo)識(shí)數(shù)組中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到指定的磁盤區(qū)。而當(dāng)再次登錄本系統(tǒng)時(shí)，動(dòng)態(tài)地從指定的數(shù)據(jù)區(qū)讀入標(biāo)識(shí)數(shù)組。這樣，就很好地完成了inode節(jié)點(diǎn)的重復(fù)回收利用。

空閑塊即在刪除文件時(shí)產(chǎn)生的回收數(shù)據(jù)塊，空閑塊的管理即為數(shù)據(jù)塊的回收利用管理。本系統(tǒng)中使用了一個(gè)空閑數(shù)據(jù)塊鏈，來(lái)專門管理和回收系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的空閑數(shù)據(jù)塊。在每次分配數(shù)據(jù)塊時(shí)，若此空閑塊數(shù)據(jù)鏈不為空，則優(yōu)先在此空閑數(shù)據(jù)鏈上分配數(shù)據(jù)塊；若為空，則直接從當(dāng)前超級(jí)塊上分配數(shù)據(jù)塊。每次由于刪除文件所產(chǎn)生的空閑數(shù)據(jù)塊，直接加到空閑數(shù)據(jù)鏈中即可。在系統(tǒng)退出時(shí)，則直接將空閑鏈中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定的磁盤區(qū)，在使用本系統(tǒng)時(shí)再動(dòng)態(tài)讀取。

3 多級(jí)用戶的二級(jí)Ext2文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主要的實(shí)體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中的主要實(shí)體采用面向?qū)ο蟮乃枷雭?lái)看待，作為系統(tǒng)中的功能模塊對(duì)象。分析系統(tǒng)中的基本實(shí)體結(jié)構(gòu)，可以從微觀來(lái)了解系統(tǒng)的大致構(gòu)架層次及其邏輯關(guān)系[3]，這對(duì)于理解一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很重要的。本系統(tǒng)中的重要實(shí)體主要有以下幾個(gè)：錯(cuò)誤實(shí)體、用戶及用戶組實(shí)體、超級(jí)塊實(shí)體、inode實(shí)體、目錄實(shí)體、文件實(shí)體及頁(yè)面緩存實(shí)體。

Ext2文件實(shí)體定義如下：

typedef struct fileNode{ //同層無(wú)同名文件

char fileName[MAXFILENAME]; //文件名

int fileSize; //文件大小

long fileTrueSize;

short fileINode; //對(duì)應(yīng)的inode號(hào)

short fileMode; //文件權(quán)限:0-root;1-管理員;

//2-一般用戶;3-保留

short fileUserId; //用戶號(hào)

short fileGroupId; //組號(hào)

struct Dir* fileDir; //文件所屬目錄

struct fileNode* fileNext; //下一個(gè)

}FileNode;

由其定義可以很容易看出，文件與目錄關(guān)系是通過(guò)文件所述目錄信息來(lái)描述的。通過(guò)這個(gè)信息，可以知道此文件屬于哪個(gè)目錄。同時(shí)，若指定目錄，也可通過(guò)此屬性獲得此目錄中所有的文件。通過(guò)用戶號(hào)、組號(hào)和文件權(quán)限就可以確定用戶對(duì)此文件的訪問(wèn)允許及操作權(quán)限，也就實(shí)現(xiàn)了多級(jí)用戶能力。

在本系統(tǒng)中硬件層只是一個(gè)模擬硬盤，也就沒(méi)有硬件驅(qū)動(dòng)層。因此對(duì)模擬硬盤的所有基本操作均使用系統(tǒng)自帶的API。在本系統(tǒng)中主要使用5個(gè)API，分別為open()、close、read()、write()和lseek()[4]。其中open()為打開(kāi)或創(chuàng)建文件，close()是關(guān)閉文件，read()和write()分別是讀、寫(xiě)文件，lseek()則是改變當(dāng)前打開(kāi)文件的文件指針。

3.2 程序主體的設(shè)計(jì)

源代碼的主體函數(shù)是在進(jìn)行系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)流程圖編寫(xiě)的，基本邏輯遵循下述的流程圖。只是在登錄模塊中也加入了退出系統(tǒng)命令，在登錄系統(tǒng)時(shí)也可以通過(guò)退出系統(tǒng)命令退出，而不必等到登錄成功后才能退出。

Ext2系統(tǒng)程序的主體流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 Ext2系統(tǒng)流程圖

3.3 各功能模塊的設(shè)計(jì)

3.3.1 錯(cuò)誤處理模塊

錯(cuò)誤處理模塊是提高整個(gè)程序容錯(cuò)性的核心，同時(shí)也提高了系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤的處理能力。本模塊通過(guò)一個(gè)全局錯(cuò)誤變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，每當(dāng)系統(tǒng)中有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方就加上錯(cuò)誤判斷，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤則記錄錯(cuò)誤所在文件、所在行、具體信息以及錯(cuò)誤類型，再返回異常。如果存在函數(shù)功能模塊嵌套調(diào)用,也可以逐層拋出這個(gè)異常，以便能準(zhǔn)確定位。根據(jù)錯(cuò)誤的類型，可以判斷錯(cuò)誤的嚴(yán)重性，以便能盡量減少損失、避免整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

3.3.2 模擬硬盤初始化模塊

因?yàn)闀r(shí)間和硬件資源等的限制，本系統(tǒng)并沒(méi)有真正的硬件，而是使用一個(gè)(0x4 4400×2)字節(jié)的iso二進(jìn)制鏡像文件來(lái)作為模擬硬盤。所以此模擬硬盤是所有操作的基礎(chǔ)，而模擬硬盤的初始化是為了能夠按文件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)使用此硬盤。

此模塊的實(shí)現(xiàn)方式為：將磁盤分為若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的大小為512字節(jié)[5]。所有的數(shù)據(jù)塊編號(hào)為0～(n-1)，第0塊也就是整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的開(kāi)始，然后將每50個(gè)數(shù)據(jù)塊分為一組。每個(gè)組的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊也就是本組的超級(jí)塊，記錄著本組所有數(shù)據(jù)塊的相對(duì)地址偏移，也就是上述所說(shuō)的地址編號(hào)。將第0、1、2數(shù)據(jù)塊單獨(dú)空閑出來(lái)，第0塊用來(lái)存儲(chǔ)主目錄，第1塊用來(lái)存儲(chǔ)etc配置環(huán)境，第2塊用來(lái)存儲(chǔ)注冊(cè)用戶的相關(guān)信息。這樣從0x0 4400～0x3 9c00的數(shù)據(jù)區(qū)就被分為若干組，并通過(guò)超級(jí)塊管理本組所有的數(shù)據(jù)塊。

剩余的從0x0 0000～0x0 0200用來(lái)當(dāng)作系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)，即標(biāo)識(shí)此磁盤是否需要初始化。0x0 0200～0x0 0400用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前超級(jí)塊，即標(biāo)識(shí)當(dāng)前硬盤已經(jīng)使用的數(shù)據(jù)塊。0x0 0400～0x0 4400用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)生的inode，這是文件索引的核心。0x3 9c00～0x4 4400用來(lái)保存當(dāng)前空閑數(shù)據(jù)塊，即系統(tǒng)文件刪除導(dǎo)致的空閑數(shù)據(jù)塊。

3.3.3 數(shù)據(jù)塊分配回收以及拷貝模塊

當(dāng)前的超級(jí)塊中保存的是當(dāng)前某一組數(shù)據(jù)塊的分配情況，同時(shí)當(dāng)前空閑塊中臨時(shí)存儲(chǔ)的是當(dāng)前回收產(chǎn)生的空閑數(shù)據(jù)塊。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)塊分配時(shí)，首先在當(dāng)前空閑數(shù)據(jù)塊鏈上查找，若不為空則優(yōu)先從當(dāng)前空閑數(shù)據(jù)塊鏈上分配；否則從當(dāng)前超級(jí)塊上分配，即返回當(dāng)前還是空閑未使用的數(shù)據(jù)塊的偏移。若當(dāng)前超級(jí)塊中可分配量為0，則讀取下一個(gè)超級(jí)塊，再給予分配。如果超級(jí)塊中可分配塊為0，則返回錯(cuò)誤。

對(duì)于產(chǎn)生的空閑數(shù)據(jù)塊并沒(méi)有在物理上對(duì)其進(jìn)行回收，而是將其加入到當(dāng)前空閑塊鏈中。當(dāng)有數(shù)據(jù)塊分配時(shí)，空閑數(shù)據(jù)鏈上的數(shù)據(jù)塊優(yōu)先分配。而數(shù)據(jù)塊的拷貝則是對(duì)于兩個(gè)已知編號(hào)的數(shù)據(jù)塊，將其中一個(gè)數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)拷貝到另一個(gè)數(shù)據(jù)塊中。其實(shí)現(xiàn)即為直接從原數(shù)據(jù)塊中讀取512字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后寫(xiě)入到指定的數(shù)據(jù)塊中。

3.3.4 索引節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建和刪除模塊

本系統(tǒng)對(duì)于索引節(jié)點(diǎn)的管理是使用一個(gè)全局的標(biāo)識(shí)數(shù)組，相當(dāng)于將所有的保存索引節(jié)點(diǎn)的空間編號(hào)。此數(shù)組剛開(kāi)始時(shí)被初始化為0，表示所有的inode節(jié)點(diǎn)都可以使用。每次分配索引節(jié)點(diǎn)時(shí)首先遍歷此數(shù)組，找到第一個(gè)為0的地方即停止，此順序遍歷的序列號(hào)就是新產(chǎn)生的inode的物理偏移號(hào)[6]。最后初始化新產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)并加入到當(dāng)前inode鏈中，等待系統(tǒng)結(jié)束時(shí)寫(xiě)入到硬盤指定位置。

每次索引節(jié)點(diǎn)的回收必然伴隨著文件的刪除。刪除時(shí)直接將其物理偏移號(hào)對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)數(shù)組下標(biāo)的數(shù)值變?yōu)?，表示可以繼續(xù)使用，再?gòu)乃饕溕蟿h除索引節(jié)點(diǎn)。這樣不用真正地從物理地址上刪除，只需標(biāo)識(shí)為可用，當(dāng)再次創(chuàng)建索引節(jié)點(diǎn)時(shí)就會(huì)覆蓋原數(shù)據(jù)。

3.3.5 文件模塊

文件模塊包括創(chuàng)建、讀寫(xiě)、復(fù)制以及刪除功能。文件創(chuàng)建包含帶目錄的創(chuàng)建和直接在當(dāng)前目錄中創(chuàng)建。當(dāng)為帶路徑的文件創(chuàng)建時(shí)，首先解析出文件名，然后根據(jù)路徑逐個(gè)解析，當(dāng)解析到所要?jiǎng)?chuàng)建文件的目錄時(shí)再調(diào)用在當(dāng)前目錄中創(chuàng)建文件的模塊。

文件讀寫(xiě)模塊通過(guò)命令行無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因而本系統(tǒng)中只是為命令行寫(xiě)了一個(gè)測(cè)試的版本，即將所讀的內(nèi)容保存到指定的緩存中。通過(guò)文件id，首先查找到文件對(duì)應(yīng)的inode，根據(jù)inode即可得知文件的具體物理地址，最后調(diào)用系統(tǒng)的讀文件函數(shù)。

文件復(fù)制即將文件節(jié)點(diǎn)的文件信息復(fù)制到指定的目錄，同時(shí)還要把文件中的內(nèi)容一并復(fù)制到新的數(shù)據(jù)塊中，再加入到指定目錄新建立的文件節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的inode中。

文件刪除即將文件對(duì)應(yīng)的文件信息節(jié)點(diǎn)從文件鏈中刪除，同時(shí)刪除文件所對(duì)應(yīng)的inode塊。在刪除文件對(duì)應(yīng)的inode塊時(shí)，首先必須刪除文件所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊，然后才能從inode鏈上刪除其所對(duì)應(yīng)的inode節(jié)點(diǎn)[7]。

3.3.6 頁(yè)面緩存模塊

本系統(tǒng)中所有的文件都以邏輯鏈的形式存在，與其對(duì)應(yīng)的inode也是以線性鏈的形式存在。當(dāng)文件相對(duì)較多時(shí)，索引或查看文件信息必然會(huì)速度較慢。因此特地設(shè)計(jì)了一個(gè)頁(yè)面緩存區(qū)，用來(lái)存放當(dāng)前使用比較頻繁的數(shù)據(jù)塊索引和inode索引，以便在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)提高效率，并使用LRU(最近最久未使用)算法來(lái)調(diào)度置換緩存頁(yè)面[8]。

4 系統(tǒng)功能結(jié)果測(cè)試

本節(jié)主要展示Ext2系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)界面及實(shí)際功能測(cè)試效果。測(cè)試項(xiàng)有l(wèi)ogin用戶登錄和regesit用戶注冊(cè)、mkDir建立子目錄、mkFile新建文件、delFile刪除文件、copy文件復(fù)制、move文件移動(dòng)、write寫(xiě)文件命令和read讀文件、cat查看文件內(nèi)容以及delDir目錄刪除等功能。其中本文僅展示出delDir目錄刪除功能測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 delDir命令測(cè)試界面

圖6中，在目錄King下?lián)碛心夸汼oft，而在

FineCutandOptimumDesignofExt2FileSysteminLinux

ZhouJunjie1,KeYue2

(1.Wenhua College,Wuhan 430086,China;2.Hubei University of Technology)

Based on Linux system,a Ext2 two level file system of Linux multi-level user is constructed and designed to be an embedded file system for GPS and other users through fine tailoring and optimized design.The system includes the definition of each basic entity (index node,directory node,file node etc.) and the definition and implementation of each function module.Finally,the test data of some functional modules of the system are displayed.The Linux file system has been tested and achieves good results.

Linux;Ext2;file system;optimum design

2016年度湖北省高校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(No.T201633)；2016年啟林教育研究院教育教學(xué)研究項(xiàng)目(No.2016-3-20);2014年武漢市信息產(chǎn)業(yè)辦軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)(No.GCJH2014005)。

TP368.1

A