文件系統的核心功能就是實現對磁盤空間的管理，要知道哪些空間可以用，哪些空間不可以用。

典型文件系統： Linux ExtX

ExtX将磁盤劃分為等份的若幹區域，這個區域被稱為塊組，磁盤空間的管理以塊組為單位，以下是磁盤分區的布局圖（以4K邏輯塊大小為例），其中塊組0最複雜，其他的相似。

ext2磁盤布局

概念說明：

• 超級塊：存儲文件系統級别的信息，比如邏輯塊大小、挂載點等
• 塊組描述符表：ext文件系統每一個塊組信息使用32字節描述，這32個字節稱為塊組描述符，所有塊組的塊組描述符組成塊組描述符表GDT(group descriptor table)。假如block大小為4KB的文件系統劃分了143個塊組，每個塊組描述符32字節，那麼GDT就需要143*32=4576字節即兩個block來存放。
• 預留GDT塊：保留GDT用于以後擴容文件系統使用，防止擴容後塊組太多，使得塊組描述符超出當前存儲GDT的blocks。
• inode：索引節點，即索引數據的節點，一個inode對應一個文件，通常每個塊組有若幹的inode，稱為inode表。
• 由于inode數量固定，且存儲形式固定，可以根據偏移給與編号，即ino_id。
• 位圖，包括數據塊位圖和inode位圖，用來描述對應資源的使用，0表示未使用，1表示已經使用。

我們使用如下命令可以創建并格式化一個文件系統：

brdd if=/dev/zero of=30m.file bs=1M count=30br mkfs.ext2 30m.file -b 1K

然後使用dump2fs查看

Ext2 磁盤布局實例-1

如果塊大小為4K，那麼有如下塊組：

Ext2磁盤布局實例-2

原因：ExtX使用邏輯塊存儲數據位圖，當block = 1K時，對應的數據塊位圖可以管理1024 * 8個數據塊，即1024[一個block的size] * (1024 * 8) [block的數量]= 8M的空間，30M就需要4個塊組；當block = 4K時，對應的數據塊位圖可以管理4 * 1024 * 8個數據塊，即(4 * 1024) * (4 * 1028 *8) = 128M， 因此一個塊組就可以。

基于固定功能區的 磁盤空間管理布局空間智能清晰，便于手動進行丢失數據恢複，但是也容易出現資源不足的情況，比如海量小文件場景。

非固定功能區的磁盤空間管理也分為數據和元數據，但是元數據和數據的區域非固定，随着文件系統對資源的需求而動态分配，典型有XFS和NTFS。

XFS文件系統将磁盤劃分為等份的區域，稱為分配組（AG），XFS對每個分配組進行獨立管理，AG的容量可以很大，最大可以達到1TB。

xfs磁盤布局

概念說明：

XFS文件系統通過兩個B 樹來追蹤空閑空間，一個是基于塊編号索引，另一個是基于空閑塊的大小索引。

• AGF（AG Free Space Block）:磁盤空間管理通過兩個B 樹來實現，一個B 樹通過塊的編号來管理，一個B 樹通過剩餘塊的大小來管理，通過兩個不同的B 樹實現對剩餘空間的快速查找。
• AGI（AG Inode Management）：通過一個B 樹管理inode，将64個inode（默認大小是256字節）打包為一個塊（chunk），改塊作為B 樹的一個葉子節點。inode的位置不固定，其編号分為相對inode編号和絕對inode編号兩種。相對inode編号是指針對AG的編号，絕對inode編号是在整個文件系統中的編号。
• AGFL（AG Free List）：包含了在AG空間内一個存放指向預留空間的塊指針的數組。這個空間不能用于任何類型的用戶數據。

前面的磁盤布局方式都是原地修改，在随機IO比較多的情況下，不太适合SS設備，基于數據追加的磁盤布局方式，對數據的變更并非在原地修改，而是追加寫的方式寫到後面的剩餘空間，将随機寫轉化為順序寫。比如NILFS2。

NILFS2将磁盤劃分為若幹的Segment，Segment默認大小是8M。

NILFS2磁盤布局

NILFS2将文件分為若幹類，分别是常規文件、目錄文件、鍊接文件和元數據文件。而元數據文件包括：

• inode文件（ifile）：存儲inode
• 檢查點文件（cpfile）：存儲檢查點
• 段使用文件（sufile）：存儲段的使用狀态
• 數據地址轉換文件（DAT）：虛拟塊号和常規塊号的映射

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