ext4, ext3 et ext2, expliqués.

Ce que sont ext2, ext3 et ext4

ext2, ext3 et ext4 sont les deuxième, troisième et quatrième systèmes de fichiers étendus (extended file systems) – les formats que Linux utilise pour ses propres disques depuis plus de trente ans. Un système de fichiers décide comment les fichiers, dossiers, noms, droits et dates sont disposés sur un disque, pour que tout ordinateur qui connaît le format puisse les retrouver.

Aujourd’hui, c’est l’ext4 que vous rencontrez. Debian, Ubuntu et Raspberry Pi OS formatent leurs disques avec lui, c’est le choix habituel pour le disque de données d’un serveur Linux, et Google y a fait passer les téléphones Android en 2010. Une clé USB ou une carte SD préparée sous Linux est presque toujours en ext4.

Les trois forment une famille plutôt que trois formats différents. Chaque génération a gardé la structure de la précédente en l’enrichissant ; c’est pourquoi les noyaux Linux actuels lisent et écrivent les trois avec un seul pilote ext4.

Un bref historique

1. 1992

   ext, le système de fichiers étendu

   Rémy Card l’écrit pour Linux 0.96c afin de remplacer le système de fichiers Minix des débuts de Linux, dont les limites de taille de disque et de noms de fichiers étaient déjà trop étroites.

2. 1993

   ext2

   Une refonte en janvier 1993 pour Linux 0.99, reprenant des idées du Fast File System de BSD : le disque découpé en groupes de blocs, des dates distinctes d’accès, de changement et de modification. Il reste la norme de Linux jusqu’à la fin de la décennie.

3. 2001

   ext3 ajoute un journal

   L’ext3 de Stephen Tweedie entre dans le noyau principal avec Linux 2.4.15 en novembre 2001. La structure est celle d’ext2 : un disque ext2 devient ext3 par l’ajout d’un journal, mais un plantage n’impose plus une longue vérification de tout le disque.

4. 2006

   Début des travaux sur ext4

   Theodore Ts’o annonce le projet le 28 juin 2006, en s’appuyant sur des extensions développées pour le système de fichiers en cluster Lustre. Une version de développement, ext4dev, apparaît dans Linux 2.6.19.

5. 2008

   ext4 est déclaré stable

   Linux 2.6.28, publié le 25 décembre 2008, apporte les extents, des numéros de bloc sur 64 bits, l’allocation différée et des dates à la nanoseconde.

6. 2013–2021

   Sommes de contrôle, chiffrement, casse

   Les noyaux suivants ajoutent les données en ligne (3.8), les sommes de contrôle des métadonnées (3.18), le chiffrement (4.1), les dossiers insensibles à la casse (5.2), verity (5.4), les fast commits (5.10) et l’orphan file (5.15).

Comment ext4 organise un disque

Les blocs. ext4 attribue l’espace par blocs, le plus souvent de 4 Kio ; la taille est choisie au formatage et peut aller de 1 Kio à 64 Kio. Même un fichier d’un octet occupe un bloc entier, sauf si le disque utilise les données en ligne.

Les groupes de blocs. Le disque est découpé en groupes de blocs – avec des blocs de 4 Kio, 32 768 blocs soit 128 Mio chacun. Chaque groupe a deux bitmaps, l’une pour ses blocs occupés et l’autre pour ses inodes, plus sa part de la table des inodes. Garder les données d’un fichier près de son inode évite à la tête du disque de voyager. La fonction flex_bg regroupe les bitmaps et tables d’inodes de plusieurs groupes, pour que les gros fichiers puissent franchir les limites de groupe d’un seul tenant.

Le superbloc. La première chose sur le disque après 1 Kio de marge : la taille du système de fichiers, sa taille de bloc, les fonctions utilisées et s’il a été démonté proprement. Des copies se trouvent dans plusieurs groupes de blocs, si bien qu’un superbloc endommagé peut être restauré depuis une sauvegarde.

Les inodes. Chaque fichier et chaque dossier a un inode, de 256 octets par défaut. Il contient le propriétaire, les droits, les dates, la taille et l’emplacement des données – tout sauf le nom. Le nombre d’inodes est fixé au formatage : un disque rempli de minuscules fichiers peut manquer d’inodes alors qu’il lui reste de la place.

Les dossiers. Un dossier est un fichier spécial qui associe des noms à des numéros d’inode. Un nom peut atteindre 255 octets. Les petits dossiers sont une simple liste ; les grands reçoivent un index, un arbre haché (dir_index, « htree »), pour que trouver un nom parmi cent mille demande quelques lectures de blocs et non un parcours complet.

Des extents au lieu de listes de blocs. ext2 et ext3 notent chaque bloc d’un fichier un par un : douze pointeurs directs dans l’inode, puis des blocs remplis de pointeurs, des pointeurs vers ceux-ci et encore des pointeurs vers ces derniers. ext4 note des plages. Un extent dit « tant de blocs, à partir d’ici », jusqu’à 32 768 blocs (128 Mio avec des blocs de 4 Kio) par entrée. Quatre extents tiennent dans l’inode lui-même ; un fichier plus long et plus fragmenté reçoit un arbre d’extents jusqu’à cinq niveaux. Un gros fichier contigu se décrit ainsi en une poignée d’entrées au lieu de milliers.

Les petits fichiers peuvent loger dans leur inode. Avec la fonction inline_data, jusqu’à 60 octets d’un fichier sont stockés dans l’inode lui-même, et un peu plus dans son espace d’attributs étendus, sans utiliser aucun bloc.

Le journal et ce qu’il protège

Modifier un système de fichiers n’est jamais une seule écriture. Créer un fichier touche une bitmap, un inode, un dossier et un compteur dans le descripteur de groupe. Si le courant coupe entre deux de ces écritures, le disque reste à moitié modifié – et ext2 ne pouvait le découvrir qu’en vérifiant tout le disque avec e2fsck, ce qui prenait longtemps sur un gros disque.

ext3 et ext4 tiennent un journal : une zone réservée du disque, en général l’inode 8, où les changements sont écrits avant d’avoir lieu. Un changement passe par trois étapes. D’abord, les nouveaux blocs vont dans le journal. Puis un enregistrement de commit marque la transaction comme complète. Ensuite seulement, les blocs sont écrits à leur vraie place – le checkpoint. Si le courant coupe à n’importe quel moment, le montage suivant rejoue le journal : les transactions arrivées à leur commit sont réappliquées, et tout ce qui n’en a pas est abandonné. Le système de fichiers redevient cohérent en quelques secondes.

Le journal n’est pas une sauvegarde. Il garde la structure du système de fichiers intacte et garantit ce qui a été validé ; il ne ramène pas un changement qui était en route et ne protège pas d’un disque défaillant. ext4 peut aussi écrire des fast commits (Linux 5.10) : de petits enregistrements des seules métadonnées modifiées entre deux commits complets, pour rendre moins coûteux les appels fréquents à fsync.

Une carte retirée d’un Raspberry Pi en marche est exactement ce cas. Son journal contient encore des transactions validées qui n’ont jamais atteint leur place, et le superbloc indique « needs recovery ». Linux le rejoue au montage suivant ; un logiciel qui lit la carte ailleurs doit le rejouer aussi, sinon il montre les fichiers tels qu’ils étaient avant ces transactions.

ext2 vs ext3 vs ext4

En pratique : ext4 pour tout ce qui est nouveau. ext3 n’a plus de raison d’être sur un disque neuf, et ext2 survit là où l’on ne veut pas de journal – une petite partition de démarrage, ou une mémoire flash à écrire le moins possible. Un disque ext3 se convertit en ext4 sur place, mais les fichiers déjà présents gardent leurs listes de blocs jusqu’à ce qu’ils soient réécrits.

Les fonctions sur les vrais disques

Plutôt qu’un numéro de version, un disque ext porte des indicateurs de fonctions dans son superbloc, et chacun appartient à l’une de trois catégories. Une fonction compatible peut être ignorée par un logiciel qui ne la connaît pas. Une fonction compatible en lecture seule signifie qu’un tel logiciel peut lire le disque mais pas y écrire. Une fonction incompatible signifie qu’il ne doit pas y toucher du tout. C’est grâce à cette règle qu’un outil plus ancien refuse un disque plus récent au lieu de l’abîmer.

Où on les trouve : le mke2fs actuel active metadata_csum et 64bit par défaut, et e2fsprogs 1.47 a ajouté orphan_file et metadata_csum_seed, que certaines distributions désactivent pour que les anciens chargeurs d’amorçage puissent encore lire le disque. L’image de Raspberry Pi OS est créée sans 64bit. Un Steam Deck formate ses cartes microSD avec casefold, et Android utilise encrypt.

Pour savoir quelles fonctions utilise un disque, lisez son superbloc sous Linux avec sudo dumpe2fs -h /dev/sdX1 et regardez la ligne « Filesystem features ».

Limites

Les valeurs 64 bits indiquent ce que le format peut adresser ; le format des extents et les outils limitent les vrais systèmes de fichiers à environ 1 Eio. D’autres limites comptent plus souvent :

• Un nom de fichier ou de dossier : 255 octets – moins de caractères dans les écritures qui en demandent plus d’un octet par caractère.
• Liens physiques vers un même fichier : 65 000, donc au plus 64 998 sous-dossiers dans un dossier.
• Dates : précision à la nanoseconde, valables jusqu’en mai 2446 avec des inodes de 256 octets ; les inodes de 128 octets s’arrêtent en janvier 2038.
• Inodes : fixés au formatage, un par fichier ou dossier, environ quatre milliards au plus.

Vérifier et réparer un disque ext4

Vérifier et réparer les systèmes de fichiers ext est le travail d’e2fsck, fourni avec e2fsprogs sous Linux. Il travaille sur un disque non monté ; le lancer sur un système de fichiers monté peut l’endommager.

sudo dumpe2fs -h /dev/sdX1      # superbloc : fonctions, état, dernière vérification
sudo e2fsck -fn /dev/sdX1        # vérification complète en lecture seule : signale, ne change rien
sudo e2fsck -f /dev/sdX1         # vérification complète avec réparations, demande avant chacune
sudo tune2fs -l /dev/sdX1        # le même résumé du superbloc
sudo mkfs.ext4 -L DATA /dev/sdX1 # un nouveau système de fichiers ext4 (efface la partition)

Remplacez /dev/sdX1 par la partition concernée – lsblk les liste. Après un arrêt brutal, il n’y a généralement rien à faire : le montage suivant rejoue le journal. Une vérification complète vaut la peine quand Linux a noté une erreur dans le superbloc, quand des sommes de contrôle échouent, ou quand le disque était dans un appareil qui a planté à plusieurs reprises.

ext4 et les autres systèmes de fichiers

Pour un disque qui circule entre Linux, Mac et Windows sans rien installer, exFAT est le terrain commun – au prix des droits Linux, des propriétaires, des liens symboliques et de toute protection si le câble est retiré en pleine écriture. ext4 conserve tout cela, et demande un logiciel supplémentaire sur Mac comme sous Windows.

Lire l’ext4 sur Mac ou sous Windows

macOS ne lit aucun des systèmes de fichiers ext. Branchez un disque Linux et macOS indique qu’il ne peut pas lire le disque, en proposant Initialiser, Ignorer et Éjecter. Initialiser efface le disque ; choisissez Ignorer ou Éjecter.

Depuis macOS 15.4, FSKit d’Apple permet à un système de fichiers de tourner comme une simple extension d’app, hors du noyau, comme les systèmes de fichiers récents d’Apple eux-mêmes. C’est la voie qui ne demande ni extension de noyau ni sécurité abaissée. Les autres voies sont une extension de noyau, une couche en espace utilisateur comme FUSE, ou une machine virtuelle Linux à laquelle on confie le disque.

Sous Windows 11, WSL 2 peut monter un disque Linux : wsl --mount \\.\PHYSICALDRIVE2 --partition 1 --type ext4 dans un terminal administrateur, après quoi les fichiers apparaissent dans l’Explorateur sous \\wsl$\ et dans le dossier /mnt/wsl de la distribution. Cela ne marche qu’avec des disques reliés directement au PC, pas avec des disques USB ni des lecteurs de cartes SD ; ceux-ci doivent d’abord être transmis à WSL par USB/IP.

Extent est notre propre système de fichiers FSKit pour ext2, ext3 et ext4 sur macOS 27. Un disque Linux apparaît dans le Finder comme n’importe quel autre ; la lecture est gratuite, et l’écriture sur ext4 passe par le journal du disque, comme sous Linux. Une carte retirée d’un Pi sans arrêt est lue avec son journal rejoué en mémoire.

Questions fréquentes