【深入 Linux 内核架构】第 6 篇：Ext 文件系统族（章节 8）

一句话核心结论：Ext 系列是 Linux 最早、最稳定的文件系统——Ext2 是基础（无日志）、Ext3 加日志（崩溃恢复）、Ext4 加 Extent（提升大文件性能）。核心磁盘布局：引导块 → 块组描述符表 → 块组（super_block 副本 + inode 位图 + 数据位图 + inode 表 + 数据块）。

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6	本文：Ext 文件系统族	✅ 已发布
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8	设备驱动 + 网络栈	🔜 计划中
9	内核同步 + 定时器	🔜 计划中
10	中断下半部 + 模块	🔜 计划中
11	内核启动 + 附录速查	🔜 计划中

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前言：Ext 家族进化史

graph LR
    A["Ext2\n1993"] -->|"加日志"| B["Ext3\n2001"]
    B -->|"加 Extent\n更大文件"| C["Ext4\n2008"]

    A -.->|"无日志\n快但脆弱"| A1["❌"]
    B -.->|"崩溃恢复"| B1["✅"]
    C -.->|"1 EB\n16 TB 单文件"| C1["✅"]

    style A fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style B fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style C fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style A1 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style B1 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C1 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

对比：

特性	Ext2	Ext3	Ext4
最大文件	2 TB	2 TB	16 TB
最大 FS	16 TB	16 TB	1 EB
日志	❌	✅	✅
Extent	❌	❌	✅
多块分配	❌	❌	✅
延迟分配	❌	❌	✅
在线碎片整理	❌	❌	✅

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一、Ext4 磁盘布局

1.1 整体布局

graph TB
    A["磁盘 / 分区"] --> B["引导块\n(1024 字节)"]
    B --> C["块组 0"]
    C --> D["块组 1"]
    D --> E["..."]
    E --> F["块组 N"]

    C --> C1["Superblock\n(副本)"]
    C --> C2["块组描述符表"]
    C --> C3["数据位图"]
    C --> C4["inode 位图"]
    C --> C5["inode 表"]
    C --> C6["数据块"]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style C fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style D fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style E fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style F fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style C1 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C2 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C3 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C4 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C5 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C6 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

1.2 块（Block）

• 基本单位——磁盘读写最小单位
• 大小：1 KB、2 KB、4 KB（默认）、8 KB

1.3 块组（Block Group）

graph LR
    A["块组"] --> B["Super Block 副本"]
    A --> C["Group Descriptors"]
    A --> D["Block Bitmap"]
    A --> E["Inode Bitmap"]
    A --> F["Inode Table"]
    A --> G["Data Blocks"]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style C fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style E fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style F fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style G fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333

块组的好处：

• 减少 inode 跨块组访问
• 提高局部性
• 减少磁盘寻道

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二、Ext4 Superblock

2.1 超级块结构

// fs/ext4/ext4.h
struct ext4_super_block {
    __le32  s_inodes_count;        // inode 总数
    __le32  s_blocks_count;        // 块总数
    __le32  s_r_blocks_count;      // 保留块数
    __le32  s_free_blocks_count;   // 空闲块数
    __le32  s_free_inodes_count;   // 空闲 inode 数
    __le32  s_first_data_block;    // 第一个数据块
    __le32  s_log_block_size;      // 块大小 = 1024 << s_log_block_size
    __le32  s_log_frag_size;       // 片段大小
    __le32  s_blocks_per_group;    // 每组块数
    __le32  s_frags_per_group;     // 每组片段数
    __le32  s_inodes_per_group;    // 每组 inode 数
    __le32  s_mtime;               // mount 时间
    __le32  s_wtime;               // write 时间
    __le16  s_mnt_count;           // mount 次数
    __le16  s_max_mnt_count;       // 最大 mount 次数
    __le16  s_magic;               // 0xEF53
    __le16  s_state;               // 状态
    __le16  s_errors;              // 错误处理
    __le32  s_lastcheck;           // 最后检查时间
    __le32  s_checkinterval;       // 检查间隔
    // ... 100+ 字段
};

2.2 关键字段

字段	含义
s_magic	0xEF53（Ext 魔数）
s_blocks_count	总块数
s_inodes_count	总 inode 数
s_log_block_size	块大小（1024 << n）
s_state	EXT4_VALID_FS / EXT4_ERROR_FS

2.3 块组描述符

struct ext4_group_desc {
    __le32  bg_block_bitmap_lo;    // 块位图块号（低 32 位）
    __le32  bg_inode_bitmap_lo;    // inode 位图块号
    __le32  bg_inode_table_lo;     // inode 表块号
    __le16  bg_free_blocks_count_lo;
    __le16  bg_free_inodes_count_lo;
    __le16  bg_used_dirs_count_lo;
    __le16  bg_flags;
    __le32  bg_checksum;           // 校验和
    // ... 64-bit 部分
};

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三、inode 结构

3.1 inode 256 字节布局

graph TB
    A["inode (256 字节)"] --> B["i_mode\n文件类型+权限"]
    A --> C["i_uid / i_gid\n用户组"]
    A --> D["i_size\n文件大小"]
    A --> E["i_atime / i_mtime / i_ctime\n时间戳"]
    A --> F["i_blocks\n块数（512 字节单位）"]
    A --> G["i_block[15]\n块指针"]
    A --> H["i_generation\n文件代"]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style C fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style E fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style F fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style G fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style H fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

3.2 Ext4 Extent（替代块指针）

// 替代 Ext2/3 的 i_block[15] 直接块指针
struct ext4_extent_header {
    __le16  eh_magic;       // 0xF30A
    __le16  eh_entries;     // 有效 extent 数
    __le16  eh_max;         // 最大 extent 数
    __le16  eh_depth;       // 树深度（0=叶子）
    __le32  eh_generation;
};

struct ext4_extent {
    __le32  ee_block;       // 起始逻辑块
    __le16  ee_len;         // 块数
    __le16  ee_start_hi;    // 起始物理块（高 16 位）
    __le32  ee_start_lo;    // 起始物理块（低 32 位）
};

Extent 优势：

graph TB
    A["传统块指针"] --> B["i_block[12] 直接"]
    B --> C["i_block[13] 一级间接"]
    C --> D["i_block[14] 二级间接"]
    D --> E["i_block[15] 三级间接"]

    style A fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style B fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style E fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

块指针的问题：

• 每个 i_block 表示一个块
• 1 GB 文件需要 25 万个 i_block 单元
• 不可能塞进 inode → 必须多级间接

Extent 优势：

• 一个 extent 表示连续块范围
• 1 GB 文件：128 KB extent 块 = 8192 个 extent
• 直接塞进 inode（最多 4 个 extent）

3.3 Extent 树

graph TB
    A["inode"] --> B["ext4_extent_header\n（深度=1）"]
    B --> C["extent 1\n[0-100)"]
    B --> D["extent 2\n[100-200)"]
    B --> E["extent 3\n[200-300)"]
    B --> F["..."]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style C fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style E fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style F fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

深度 > 0 时 = 索引节点：

graph TB
    A["inode"] --> B["header (depth=1)"]
    B --> C["ext4_extent_idx 1"]
    B --> D["ext4_extent_idx 2"]
    B --> E["ext4_extent_idx 3"]
    C --> F["叶子: extent 1"]
    C --> G["叶子: extent 2"]
    D --> H["叶子: extent 3"]
    D --> I["叶子: extent 4"]
    E --> J["叶子: extent 5"]
    E --> K["叶子: extent 6"]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style C fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style E fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style F fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style G fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style H fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style I fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style J fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style K fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333

---

四、目录结构

4.1 目录实现：HTree

graph TB
    A["目录 /home"] --> B["目录项 1\n. (本目录)"]
    A --> C["目录项 2\n.. (上级)"]
    A --> D["目录项 3\nuser → inode#100"]
    A --> E["目录项 4\nadmin → inode#200"]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style C fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style D fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style E fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

4.2 目录项结构

struct ext4_dir_entry_2 {
    __le32  inode;           // inode 号
    __le16  rec_len;         // 本项长度
    __le8   name_len;        // 文件名长度
    __le8   file_type;       // 文件类型
    char    name[];          // 文件名（变长）
};

4.3 HTree 索引（大目录优化）

graph TB
    A["目录 inode"] --> B["HTree 根"]
    B --> C["分支 1 (a-h)"]
    B --> D["分支 2 (i-p)"]
    B --> E["分支 3 (q-z)"]
    C --> F["线性目录项 a, b, c..."]
    D --> G["线性目录项 i, j, k..."]
    E --> H["线性目录项 q, r, s..."]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style C fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style E fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style F fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style G fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style H fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333

HTree 优势：

• 大目录查找从 O(n) → O(log n)
• 哈希索引
• 4 KB 块最多 1M 个目录项

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五、Journaling（日志机制）

5.1 为什么需要日志？

graph LR
    A["写入数据"] --> B["Ext2：直接写元数据\n崩溃 → 元数据不一致"]
    C["写入数据"] --> D["Ext3/4：先写日志\n崩溃 → 重放日志"]

    style A fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style B fill:#F48FB1,stroke:#FFB3C6,color:#333
    style C fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style D fill:#80CBC4,stroke:#B5EAD7,color:#333

5.2 日志模式

graph TB
    A["日志模式"] --> B["journal\n完整日志"]
    A --> C["ordered\n仅元数据日志"]
    A --> D["writeback\n不日志"]

    B --> B1["数据+元数据\n最安全最慢"]
    C --> C1["元数据+数据块先写\n平衡"]
    D --> D1["只元数据\n最快风险最大"]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style C fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style D fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style B1 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style C1 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D1 fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

5.3 Journal 工作流

sequenceDiagram
    participant App as 应用
    participant JBD as JBD2 日志层
    participant Disk as 磁盘

    App->>JBD: write data + metadata
    JBD->>Disk: 写入 journal（事务）
    JBD->>Disk: checkpoint（写入最终位置）
    Disk-->>JBD: ack
    JBD-->>App: 完成

    Note over Disk: 崩溃恢复时
    Disk->>JBD: 重放未完成的事务
    JBD->>Disk: checkpoint 完成

5.4 JBD2 关键概念

// fs/jbd2/journal.c
struct journal_s {
    unsigned long j_flags;
    tid_t j_transaction_sequence;  // 当前事务号
    struct transaction *j_running_transaction;  // 当前事务
    struct transaction *j_committing_transaction; // 提交中
    struct list_head j_checkpoint_transactions;  // 检查点
    // ...
};

事务状态：

• running：进行中
• committed：已提交但未 checkpoint
• checkpoint：已 checkpoint（可回收）

5.5 关键启示

1. 日志 = 崩溃恢复——先写日志，再写数据
2. 3 种日志模式——安全 vs 性能 trade-off
3. JBD2 = Journaling Block Device 2
4. Checkpoint 回收日志空间

---

六、Ext4 的关键改进

6.1 多块分配（Multiblock Allocator）

graph TB
    A["传统 Ext3"] --> B["一次分配 1 个块\n多次磁盘寻道"]
    C["Ext4"] --> D["一次分配多个块\n优化布局"]

    style A fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style B fill:#F48FB1,stroke:#FFB3C6,color:#333
    style C fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style D fill:#80CBC4,stroke:#B5EAD7,color:#333

6.2 延迟分配（Delayed Allocation）

graph TB
    A["传统"] --> B["write() 立即分配块"]
    C["Ext4"] --> D["write() 推迟分配\n在 fsync/缓存压力时"]

    B --> B1["可能短命文件浪费块"]
    D --> D1["更优分配\n减少碎片"]

    style A fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style B fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style B1 fill:#F48FB1,stroke:#FFB3C6,color:#333
    style C fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style D fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333
    style D1 fill:#80CBC4,stroke:#B5EAD7,color:#333

6.3 其他 Ext4 特性

特性	说明
Extent	替代块指针
多块分配	一次分配多块
延迟分配	推迟到合适时机
快速 fsck	不扫描整个磁盘
在线碎片整理	e4defrag
纳秒级时间戳	精度提升

---

七、文件操作流程（ext4）

7.1 创建文件

sequenceDiagram
    participant App as 用户进程
    participant VFS as VFS
    participant Ext4 as ext4
    participant JBD as JBD2
    participant Disk as 磁盘

    App->>VFS: open("/foo", O_CREAT)
    VFS->>Ext4: ext4_lookup
    Ext4-->>VFS: ENOENT
    VFS->>Ext4: ext4_create
    Ext4->>Ext4: 分配 inode
    Ext4->>JBD: 开始事务
    JBD->>Disk: 写 inode + 目录项 + 位图
    JBD->>Disk: checkpoint
    Ext4-->>VFS: 返回 inode
    VFS-->>App: 返回 fd

7.2 写入文件

sequenceDiagram
    participant App as 用户进程
    participant VFS as VFS
    participant Ext4 as ext4
    participant Cache as page cache
    participant JBD as JBD2
    participant Disk as 磁盘

    App->>VFS: write(fd, buf, size)
    VFS->>Ext4: ext4_write_iter
    Ext4->>Cache: 加入 dirty 页
    Cache-->>Ext4: 返回
    Ext4-->>VFS: 完成
    VFS-->>App: 返回

    Note over Cache,JBD: 后台
    Cache->>JBD: 周期性 flush
    JBD->>Disk: 写入日志 + 数据
    Disk-->>JBD: ack

---

八、面试高频考点

8.1 必背题

题目	答案要点
Ext4 的磁盘布局？	引导块 + 块组 × N
inode 包含什么？	元数据（不含文件名）
Extent 优势？	减少 inode 大小，支持大文件
日志机制？	Journal / Ordered / Writeback
Ext2 vs Ext3？	Ext3 加日志
Ext3 vs Ext4？	Ext4 加 Extent + 多块 + 延迟
块组的作用？	减少 inode 跨块访问
dcache vs inode cache？	路径缓存 vs inode 缓存

8.2 高频追问

追问	关键点
HTree 是什么？	大目录哈希索引
fsync 做了什么？	强制 page cache 刷盘
软链接跨 FS？	可以
硬链接跨 FS？	不可以
删除文件流程？	unlink + free inode + free blocks
文件系统大小限制？	Ext4 = 1 EB
日志大小？	通常 128 MB 左右

---

九、配套实验

9.1 实验 1：查看 Ext4 信息

# 文件系统信息
dumpe2fs /dev/sda1 | head -50

# 输出（示例）：
# Filesystem volume name:   /
# Last mounted on:          /
# Filesystem UUID:          abc-def-ghi
# Filesystem magic number:  0xEF53
# Filesystem revision #:    1 (dynamic)
# Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype extent 64bit flex_bg sparse_super large_file huge_file dir_nlink extra_isize
# Filesystem flags:         signed_directory_hash
# Default mount options:    user_xattr acl
# Filesystem state:         clean
# ...

9.2 实验 2：inode 和块使用

# inode 使用情况
df -i /

# 输出：
# Filesystem      Inodes  IUsed   IFree IUse% Mounted on
# /dev/sda1      6553600 234567 6319033    4% /

# 块使用
df -h /

# 输出：
# Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
# /dev/sda1        50G   20G   28G  42% /

9.3 实验 3：调试文件系统

# tune2fs 调整参数
sudo tune2fs -l /dev/sda1

# 修改 label
sudo tune2fs -L "MyRoot" /dev/sda1

# 修改最大 mount 次数
sudo tune2fs -c 100 /dev/sda1

# 启用/禁用日志
sudo tune2fs -O ^has_journal /dev/sda1

9.4 实验 4：创建 Ext4 文件系统

# 创建 loop 设备
dd if=/dev/zero of=/tmp/ext4.img bs=1M count=100
sudo mkfs.ext4 /tmp/ext4.img

# 挂载
mkdir /mnt/myext4
sudo mount -o loop /tmp/ext4.img /mnt/myext4

# 使用
sudo touch /mnt/myext4/test
ls -la /mnt/myext4/

# 卸载
sudo umount /mnt/myext4

9.5 实验 5：观察 Journal

# 查看日志
sudo dumpe2fs /dev/sda1 | grep -i journal
# Journal size:             128M
# Journal inode:            8
# Journal device:           0x801

# 用 debugfs 看 journal
sudo debugfs -R "logdump -b" /dev/sda1 | head -30

9.6 实验 6：性能测试

# 顺序写测试
dd if=/dev/zero of=/mnt/myext4/test bs=1M count=1000 oflag=direct

# 随机读测试
fio --name=randread --ioengine=libaio --direct=1 \
    --filename=/mnt/myext4/test --bs=4k --size=1G \
    --rw=randread --numjobs=4 --runtime=30

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十、回到 5 个核心要点

graph TB
    A["Ext4 核心"] --> B["磁盘布局\n引导+块组"]
    A --> C["Extent\n替代块指针"]
    A --> D["HTree\n大目录索引"]
    A --> E["Journaling\n崩溃恢复"]
    A --> F["延迟分配\n性能优化"]

    style A fill:#C7CEEA,stroke:#9FA8DA,color:#333
    style B fill:#E8D5F5,stroke:#CE93D8,color:#333
    style C fill:#FFDAB9,stroke:#FFAB76,color:#333
    style D fill:#FFB3C6,stroke:#F48FB1,color:#333
    style E fill:#B5EAD7,stroke:#80CBC4,color:#333
    style F fill:#FFF9C4,stroke:#F9A825,color:#333

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十一、结尾思考题

思考题 1：你的 Linux 用的是 Ext4 吗？怎么确认？

思考题 2：为什么 Ext4 比 Ext3 快？具体哪些改进？

思考题 3：日志模式 ordered 为什么比 journal 快？

思考题 4：创建 1 亿个小文件——Ext4 表现如何？

思考题 5：e4defrag 怎么用？什么时候需要碎片整理？

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十二、本篇速查表

主题	关键点	内核文件
Superblock	文件系统元数据	fs/ext4/super.c
Inode	文件元数据	fs/ext4/inode.c
Extent	大文件优化	fs/ext4/extents.c
HTree	大目录优化	fs/ext4/dir.c
Journaling	崩溃恢复	fs/ext4/ext4_jbd2.c
写流程	write_iter	fs/ext4/file.c

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十三、系列导航

#	文章	状态
0	系列总览	✅ 已发布
1	内核架构总览 + 进程管理	✅ 已发布
2	进程地址空间	✅ 已发布
3	内存管理基础	✅ 已发布
4	内存分配器与回收	✅ 已发布
5	虚拟文件系统 VFS	✅ 已发布
6	本文：Ext 文件系统族	✅ 已发布
7	块 I/O 层	🔜 计划中
8	设备驱动 + 网络栈	🔜 计划中
9	内核同步 + 定时器	🔜 计划中
10	中断下半部 + 模块	🔜 计划中
11	内核启动 + 附录速查	🔜 计划中

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下一篇：第 7 篇《块 I/O 层》——bio 结构、请求队列、调度器（CFQ/Deadline/noop）、page cache 与 buffer cache 的区别、I/O 调度算法。

行动建议：

1. 看 dumpe2fs——理解你的 Ext4 文件系统
2. 用 df -i——观察 inode 使用
3. 创建 loop 设备——动手玩 Ext4
4. 用 strace——跟踪文件系统调用
5. 读 fs/ext4/extents.c——extent 实现