# 第 40 章实验：在真实的 ext4 上观察文件系统实现

对应页面：`chapters/40-fs-impl.html`。三个小程序把本章概念（inode、数据块分配、目录也是文件、extent、页缓存与写缓冲）落到你正在用的 Linux 文件系统上。

## 编译与运行

```bash
cd labs/40-fs-impl
make
./sparse          # inode 的 size 与 blocks；目录随条目增多而变大
./fiemap          # 自造一个带"洞"的文件，打印它的 extent 映射
./fiemap 某个文件  # 也可以看任意已有文件
./cache           # fsync 的代价、读缓存、O_DIRECT
make clean        # 删除可执行文件和残留的临时文件
```

所有程序都在**当前目录**下创建临时文件并在结束时删除。请在 Linux 本地文件系统（WSL2 的 `~` 下是 ext4）里运行；在 `/mnt/c/...`（Windows 盘）上 `fiemap` 会失败、其他数字也没有意义。

## 1. sparse.c —— size 与 blocks 是两回事

- `stat()` 返回的 `st_size` 是文件"逻辑上"有多长，`st_blocks` 是**真正分配**了多少个 512 字节单位。
- 新建的空文件 `blocks=0`：`creat` 只分配 inode，不分配数据块（和页面上 vsfs 模拟器里的 `[f a:-1 r:1]` 一样）。
- 写 1 字节就占一整块（4KB = 8 × 512）。
- `lseek` 跳到 48KB、1GB 处各写 1 字节：`size` 变成 1GB 多，`blocks` 只有 24（12KB）。中间的"洞"没有分配任何块，读洞得到的是 0。
- 第二部分往一个目录里创建 400 个文件：目录的 `size` 从 4KB 长到 36KB——**目录也是文件**，目录项多了就要分配更多数据块。删光文件后目录并不缩小：被删的目录项只是标记为空闲（对应页面上"目录数据块"模拟器里的空洞）。ext4 的目录超过一块后会启用 htree 索引，所以增长不是严格线性的。

## 2. fiemap.c —— 看见 extent

- 用 `ioctl(fd, FS_IOC_FIEMAP, ...)` 取得文件的"逻辑块 → 物理块"映射（`filefrag -v` 用的也是它）。
- 测试文件：先连续写 1MB（逻辑块 0–255），跳过一个洞，再在逻辑块 1024 处写 64KB。
- 你会看到只有 **2 个 extent**：`(逻辑 0, 物理 X, 长度 256)` 和 `(逻辑 1024, 物理 Y, 长度 16)`。ext4 不像 ext2 那样为每个块存一个指针，而是用"起始块 + 长度"描述一段连续空间——这就是页面上"提示：考虑基于 extent 的方法"讲的东西。洞不出现在映射里。
- 物理块号每次运行都不同，取决于当时的空闲空间。

## 3. cache.c —— 写缓冲与读缓存

- **200 次 4KB 追加写**：不 fsync 时每次只要几微秒（只是拷贝进页缓存）；每次都 fsync 时每次要毫秒级（要等日志提交、等设备确认）。差距通常是几百倍——这就是数据库每次提交都 fsync 的代价，也是文件系统默认把写缓冲 5~30 秒的原因。
- **写 64MB 再 fsync**：`write()` 循环很快返回，真正的设备写发生在 `fsync()`（或稍后的后台刷盘）里。
- **读缓存**：先用 `posix_fadvise(POSIX_FADV_DONTNEED)` 请内核把该文件的干净页踢出页缓存，读一次；再读一次（命中页缓存）；最后用 `O_DIRECT` 绕过页缓存读。
- 注意 WSL2：Linux 看到的"磁盘"是 Windows 上的一个虚拟磁盘文件（VHDX），背后还有 Windows 主机的缓存和 SSD，所以"冷读"也可能很快、差距没有物理机械硬盘那么夸张。多跑几次看看波动；如果你有真实 Linux 机器和 HDD，差距会大得多。

## 思考题

1. 把 `sparse.c` 里的 `lseek` 目标改成 4GB、16GB，`blocks` 会变吗？为什么 `ls -l` 和 `du` 显示的大小不同？
2. 对一个用 `cp` 复制的大文件跑 `./fiemap 文件名`，extent 数是多少？再对一个一边写一边被别的程序写的日志文件跑一次，比较碎片程度。
3. 在 `cache.c` 的小写测试里，把 `fsync` 换成 `fdatasync`，时间会变吗？（提示：fdatasync 在只追加数据时仍需更新文件大小这个元数据。）