Ext2数据块寻址原理：直接块、间接块到三级间接块

手可摘星辰的少年2026-05-21 11:20

我们要想弄明白ext2文件系统中是如何寻址的，需要看懂下面的这个函数的实现逻辑

c 复制代码 
static int ext2_block_to_path(struct inode *inode,
			long i_block, int offsets[4], int *boundary)
{
	int ptrs = EXT2_ADDR_PER_BLOCK(inode->i_sb);
	int ptrs_bits = EXT2_ADDR_PER_BLOCK_BITS(inode->i_sb);
	const long direct_blocks = EXT2_NDIR_BLOCKS,
		indirect_blocks = ptrs,
		double_blocks = (1 << (ptrs_bits * 2));
	int n = 0;
	int final = 0;

	if (i_block < 0) {
		ext2_msg(inode->i_sb, KERN_WARNING,
			"warning: %s: block < 0", __func__);
	} else if (i_block < direct_blocks) {
		offsets[n++] = i_block;
		final = direct_blocks;
	} else if ( (i_block -= direct_blocks) < indirect_blocks) {
		offsets[n++] = EXT2_IND_BLOCK;
		offsets[n++] = i_block;
		final = ptrs;
	} else if ((i_block -= indirect_blocks) < double_blocks) {
		offsets[n++] = EXT2_DIND_BLOCK;
		offsets[n++] = i_block >> ptrs_bits;
		offsets[n++] = i_block & (ptrs - 1);
		final = ptrs;
	} else if (((i_block -= double_blocks) >> (ptrs_bits * 2)) < ptrs) {
		offsets[n++] = EXT2_TIND_BLOCK;
		offsets[n++] = i_block >> (ptrs_bits * 2);
		offsets[n++] = (i_block >> ptrs_bits) & (ptrs - 1);
		offsets[n++] = i_block & (ptrs - 1);
		final = ptrs;
	} else {
		ext2_msg(inode->i_sb, KERN_WARNING,
			"warning: %s: block is too big", __func__);
	}
	if (boundary)
		*boundary = final - 1 - (i_block & (ptrs - 1));

	return n;
}

一、基础概念

  1. 直接块：inode里直接存放磁盘块号，不用绕路查找，速度最快
  2. 一级间接块：先查间接块，再取数据块
  3. 二级间接块：两层跳转查找
  4. 三级间接块：三层跳转查找
  5. 高效计算方式，位移运算效率更高：
    • 除法替换为位移 ：比如 i_block / 256 可以写成 i_block >> 8，效率更高。
    • 取模替换为位运算 ：比如 i_block % 256 可以写成 i_block & (256-1)，也就是 i_block & 0xff。

二、该函数作用

ext2_block_to_path 核心功能：传入文件内偏移块号 i_block，自动判断走哪一种寻址方式，拆分出一层层查找下标，最终告诉系统去哪一级间接块里找真实磁盘数据块。

它的入参含义如下：

  • struct inode *inode

    目标文件的 inode。这个函数主要用它拿到 inode->i_sb（超级块）里的块大小等参数，从而计算"一个间接块能放多少指针"。

  • long i_block

    文件的"逻辑块号"（第几个数据块，从0开始）。

    例如块大小1KB时，文件偏移对应的逻辑块号通常是 i_block = pos / 1024。

  • int offsets[4]（输出参数）

    输出参数：用来返回在ext2块指针树里走的路径。每个元素表示在某一层的数组下标/指针槽位置。

  • int *boundary（）

    可选输出参数，可传 NULL，用来告诉调用者：从 i_block 开始，后面还有多少个连续逻辑块在同一个"指针块/区间"里，没跨边界。

    这个信息常用于读写合并/预读/一次映射多块时的"到边界为止"。

三、函数核心逻辑拆解

1. ptrs与ptrs_bits 底层含义

c 复制代码 
static int ext2_block_to_path(struct inode *inode,
			long i_block, int offsets[4], int *boundary)
{
	int ptrs = EXT2_ADDR_PER_BLOCK(inode->i_sb);
	int ptrs_bits = EXT2_ADDR_PER_BLOCK_BITS(inode->i_sb);
        
	const long direct_blocks = EXT2_NDIR_BLOCKS,
		indirect_blocks = ptrs,
		double_blocks = (1 << (ptrs_bits * 2));
}

  • ptrs = 一个间接块（1 个 block）里能存多少个 32-bit 块号。EXT2_ADDR_PER_BLOCK(s) = EXT2_BLOCK_SIZE(s) / sizeof(__u32)

    例如块大小4KB：4096/4=1024 个指针，块大小1KB：1024/4 = 256个指针。

  • ptrs_bits = EXT2_ADDR_PER_BLOCK_BITS(inode->i_sb);
    ptrs_bits = log2(ptrs)该变量主要用位移代替除法/乘法，来提高程序的运行性能。

    例如 ptrs=1024，2^10=1024，也即是 ptrs_bits=10。

2. 直接寻址

c 复制代码 
else if (i_block < direct_blocks) {
	offsets[n++] = i_block;
	final = direct_blocks;
}

代码含义

这个块号很小，在inode直接管理范围内，不需要任何间接跳转，直接把块号存入路径数组，直接读取即可。

示例

假设：

  • i_block = 5
  • direct_blocks = 12

步骤：

  1. 先判断i_block < direct_blocks，5 < 12成立，则进入这个分支
  2. 赋值：
    • offsets[0] = 5
    • final = 12

3. 一级间接寻址

c 复制代码 
else if ( (i_block -= direct_blocks) < indirect_blocks) {
	offsets[n++] = EXT2_IND_BLOCK;
	offsets[n++] = i_block;
	final = ptrs;
}

代码含义

  • 这一分支处理一级间接块的情况。
  • 逻辑块号 i_block 先减去直接块数量 direct_blocks，如果结果小于 indirect_blocks（即一级间接块能寻址的块数），说明这个块号属于一级间接块范围。
  • offsets[n++] = EXT2_IND_BLOCK;
    记录一级间接块在 inode 指针数组中的索引（通常是 12）。
  • offsets[n++] = i_block;
    记录在一级间接块中具体的偏移。
  • final = ptrs;
    记录本层级（一级间接块）能容纳的最大块数，便于后续边界计算。

示例：

假设：

  • direct_blocks = 12（直接块数量）
  • indirect_blocks = ptrs = 256（一级间接块能寻址的块数）
  • i_block = 20（逻辑块号）

步骤：

  1. 先判断 i_block < direct_blocks，20 < 12 不成立，跳过直接块分支。
  2. 进入本分支，i_block -= direct_blocks，即 i_block = 20 - 12 = 8。
  3. 判断 8 < 256，成立，说明第20号块属于一级间接块。
  4. 赋值：
    • offsets[0] = EXT2_IND_BLOCK（通常是12）
    • offsets[1] = 8（第20号逻辑块在inode的一级间接块指针指向的块中，是第8个数据块）
    • final = 256（表示一级间接块最多能容纳256个数据块）

4. 二级间接区间寻址

c 复制代码 
else if ((i_block -= indirect_blocks) < double_blocks) {
	offsets[n++] = EXT2_DIND_BLOCK;
	offsets[n++] = i_block >> ptrs_bits;
	offsets[n++] = i_block & (ptrs - 1);
	final = ptrs;
}

代码含义

把二级间接块看成一个二维数组：

erlang 复制代码 
二级间接块
  ├─ 一级间接块0 ─ 数据块0, 数据块1, ..., 数据块255
  ├─ 一级间接块1 ─ 数据块256, ..., 数据块511
  ├─ ...
  └─ 一级间接块10 ─ 数据块2560, ..., 数据块2815
  • i_block >> ptrs_bits 就是"行号"（第几个一级间接块）
  • i_block & (ptrs - 1) 就是"列号"（一级间接块里的第几个数据块）
  • 翻译成除法运算：
    1. 先减去前面所有占用块号，得到纯净二级区间块号
    2. 行号 = 块号 ÷ 256
    3. 列号 = 块号 % 256

示例

假设：

  • direct_blocks = 12
  • indirect_blocks = ptrs = 256
  • double_blocks = 65536
  • ptrs_bits = 8
  • 逻辑块号 i_block = 3000

步骤：

  1. 跳过直接块和一级间接块

    • i_block < direct_blocks？否（3000 > 12）
    • i_block -= direct_blocks，i_block = 3000 - 12 = 2988
    • i_block < indirect_blocks？否（2988 > 256）
    • i_block -= indirect_blocks，i_block = 2988 - 256 = 2732
    • i_block < double_blocks？是（2732 < 65536），进入本分支

  2. 路径分解

    • offsets[n++] = EXT2_DIND_BLOCK;（通常是13，表示二级间接块指针在inode数组中的位置）
    • offsets[n++] = i_block >> ptrs_bits;，2732 >> 8 = 10，表示在二级间接块的第10个一级间接块
    • offsets[n++] = i_block & (ptrs - 1);，2732 & 255 = 172，表示在该一级间接块的第172个数据块

  3. final 赋值

    • final = ptrs = 256
    • 表示本层级（一级间接块）能容纳的最大块数

5. 三级间接寻址

c 复制代码 
else if (((i_block -= double_blocks) >> (ptrs_bits * 2)) < ptrs) {
	offsets[n++] = EXT2_TIND_BLOCK;
	offsets[n++] = i_block >> (ptrs_bits * 2);
	offsets[n++] = (i_block >> ptrs_bits) & (ptrs - 1);
	offsets[n++] = i_block & (ptrs - 1);
	final = ptrs;
}

代码含义

  • 先把 i_block 减去所有直接块、一级间接块、二级间接块能寻址的块数。-
  • 再右移 (ptrs_bits * 2) 位，等价于除以 ptrs * ptrs，判断结果是否小于 ptrs。
  • 以此来判断i_block是否落在三级间接块能寻址的范围内。
  • EXT2_TIND_BLOCK：inode 里三级间接块指针的位置（通常是14）。
  • i_block >> (ptrs_bits * 2)：第几个二级间接块（行号）。
  • (i_block >> ptrs_bits) & (ptrs - 1)：在该二级间接块的第几个一级间接块（列号）。
  • i_block & (ptrs - 1)：在该一级间接块的第几个数据块（最底层的列号）。

示例

假设：

  • ptrs = 256，ptrs_bits = 8
  • double_blocks = 65536
  • 逻辑块号 i_block = 100000

步骤：

  1. i_block -= double_blocks → i_block = 100000 - 65536 = 34464
  2. i_block >> 16（ptrs_bits * 2 = 16）→ 34464 >> 16 = 0，说明在第0个二级间接块
  3. (i_block >> 8) & 255 → (34464 >> 8) & 255 = 134 & 255 = 134，在第134个一级间接块
  4. i_block & 255 → 34464 & 255 = 64，在该一级间接块的第64个数据块

结果：

  • inode 的三级间接块指针
  • 第0个二级间接块
  • 第134个一级间接块
  • 第64个数据块

具象的理解

可以把三级间接比作一个超级电影院，这个超级电影院有如下设计：

  • 第一层（影院大门）：有256个放映厅，编号从0到255
  • 第二层（放映厅里）：每个放映厅里，有256个看台，编号从0到255
  • 第三层（看台上）：每个看台上，有256个座位，编号从0到255

找 块号 = 70000 号的座位，我们可以通过整除、取余数方式来计算：

  1. 第一步：找放映厅 公式：块号 ÷ (256×256) 作用：确定属于哪一个放映厅。 计算：70000 ÷ 65536商是 1，余数是 70000 - 65536 = 4464。 结论：在第1号放映厅里。

  2. 第二步：找看台 公式：(块号 ÷ 256) % 256 作用：确定放映厅内第几个看台。 计算：`70000 ÷ 256 = 273'，273代表从整个电影院的第0号座位算起，70000号座位，在所有"看台序列"里，排第273个。第1号放映厅里，只装第256 ~ 511号看台（因为第0号放映厅装了0~255号看台）。所以我们要算： 273 % 256 = 17。 结论：在第17号看台上。

  3. 第三层步：找座位 公式：块号 % 256 作用：确定看台上具体座位 计算：第1号放映厅的第17号看台，看台上有256个座位，编号0~255。所以我们要算：70000 % 256 = 112。 结论：在第17号看台上的第112号座位。

6、边界值 boundary 变量通俗讲解

c 复制代码 
*boundary = final - 1 - (i_block & (ptrs - 1));

计算当前这一层还剩余多少空闲位置，预判距离当前层级装满还有多少余量，用于文件写入时判断是否需要开辟新间接块。

四、核心总结

  1. 整个ext2_block_to_path函数，本质就是分层拆分块号 ，分层依据：块号从小到大，依次走直接块→一级→二级→三级间接。 2 所有分层拆分逻辑，基本的逻辑全是整除向上分层，余数定位内部位置，位运算只是为了内核性能，换成除法余数更好理解。

五、结尾

学会这个内核经典函数后，我们就能彻底明白：为什么小文件读写快、大文件读写存在间接寻址开销。

后续会继续分享Ext2超级块、inode、日志文件系统等底层干货，喜欢存储与Linux内核底层知识可以点个关注~~

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