ext4、ext3、ext2 详解。

什么是 ext2、ext3 和 ext4

ext2、ext3 和 ext4 是第二、第三和第四代扩展文件系统（extended file system），三十多年来 Linux 一直用它们格式化自己的磁盘。文件系统决定文件、文件夹、名称、权限和日期在磁盘上如何存放，让任何懂这种格式的计算机都能重新找到它们。

如今最常见的是 ext4。Debian、Ubuntu 和 Raspberry Pi OS 都把磁盘格式化为 ext4，Linux 服务器的数据盘也常用它，Google 在 2010 年把 Android 手机迁移到了 ext4。在 Linux 上准备的 U 盘或 SD 卡几乎总是 ext4。

三者不是互不相干的格式，而是一个家族：每一代都保留上一代的磁盘结构并加以扩展。因此当前的 Linux 内核用同一个 ext4 驱动读写这三种格式。

简史

1. 1992

   ext，扩展文件系统

   Rémy Card 为 Linux 0.96c 编写。它取代了 Linux 最初使用的 Minix 文件系统，后者对磁盘大小和文件名的限制当时已经太小。

2. 1993

   ext2

   1993 年 1 月为 Linux 0.99 重新设计，借鉴了 BSD Fast File System 的思路：磁盘被分成块组，并分别记录访问、更改和修改时间。整个 1990 年代它都是 Linux 的标准。

3. 2001

   ext3 加入日志

   Stephen Tweedie 的 ext3 于 2001 年 11 月随 Linux 2.4.15 进入主线内核。它的结构与 ext2 相同，给 ext2 磁盘加上日志就成了 ext3，但崩溃后不再需要漫长地检查整个磁盘。

4. 2006

   ext4 开始开发

   Theodore Ts’o 于 2006 年 6 月 28 日公布计划，基础是为集群文件系统 Lustre 开发的扩展。开发版 ext4dev 出现在 Linux 2.6.19 中。

5. 2008

   ext4 稳定

   2008 年 12 月 25 日发布的 Linux 2.6.28 带来了区段、64 位块号、延迟分配和纳秒级时间戳。

6. 2013–2021

   校验和、加密、大小写

   后来的内核陆续加入内联数据（3.8）、元数据校验和（3.18）、加密（4.1）、不区分大小写的文件夹（5.2）、verity（5.4）、fast commit（5.10）和 orphan file（5.15）。

ext4 在磁盘上的结构

块。ext4 以块为单位分配空间，通常是 4 KiB；块大小在格式化时确定，范围是 1 KiB 到 64 KiB。除非磁盘使用内联数据，否则即使只有一个字节的文件也要占用一整块。

块组。磁盘被划分为块组，4 KiB 块时每组 32,768 块，即 128 MiB。每个块组有两个位图（记录已用的块和索引节点）以及索引节点表的一部分。把文件数据放在其索引节点附近可以减少磁头移动。flex_bg 功能把多个组的位图和索引节点表集中存放，让大文件可以跨越组边界连续存放。

超级块。位于磁盘开头 1 KiB 的空隙之后，记录文件系统的大小、块大小、所用功能，以及它是否被正常卸载。多个块组中存有它的副本，损坏的超级块可以从备份恢复。

索引节点。每个文件和文件夹都有一个索引节点（inode），默认 256 字节。它保存除名称以外的一切：所有者、权限、时间戳、大小以及数据的位置。索引节点的数量在格式化时确定，因此装满大量小文件的磁盘可能在还有空闲空间时就用完索引节点。

文件夹。文件夹是一种特殊文件，把名称映射到索引节点号。名称最长 255 字节。小文件夹是一个简单的列表；大文件夹带有哈希树索引（dir_index，“htree”），即使在十万个名称中查找一个，也只需读取几个块，而不必全部扫描。

用区段代替块映射。ext2 和 ext3 逐块记录文件：索引节点中有 12 个直接指针，然后是装满指针的块、指向这些块的指针，再往上一层。ext4 记录的是范围。一个区段（extent）表示“从这里开始的这么多块”，一个条目最多覆盖 32,768 块（4 KiB 块时为 128 MiB）。四个区段直接放在索引节点里；更长、更零散的文件会得到一棵最多五层的区段树。一个大而连续的文件只需几个条目，而不是成千上万个。

小文件可以放进索引节点。启用 inline_data 功能后，文件的前 60 字节存放在索引节点本身，稍多一点则放在扩展属性空间中，完全不占用块。

日志及其保护的内容

修改文件系统从来不是一次写入就能完成的。即使只新建一个文件，也要改动位图、索引节点、文件夹以及组描述符中的计数器。如果在这些写入之间断电，磁盘就会停留在改了一半的状态。对 ext2 来说，发现这种情况的唯一办法是用 e2fsck 检查整个磁盘，大磁盘上要花很长时间。

ext3 和 ext4 有日志（journal）：磁盘上的一块保留区域（通常是索引节点 8），变更在真正生效之前先写到这里。一次变更分三步：先把新的块写入日志；然后一条提交记录标记事务完成；之后这些块才被写到真正的位置，这一步叫检查点。无论何时断电，下次挂载时日志都会被重放：已提交的事务重新应用，没有提交记录的则被丢弃。文件系统几秒钟内就恢复一致。

日志不是备份。它保持文件系统结构完整，并保证已提交的内容，但不能挽回正在进行的修改，也不能防止磁盘本身损坏。ext4 还可以使用 fast commit（Linux 5.10）：在两次完整提交之间写入只包含变更元数据的小记录，减轻频繁调用 fsync 的开销。

从正在运行的 Raspberry Pi 上拔下的存储卡正是这种情况：日志中有已提交但尚未写到最终位置的事务，超级块标记为“needs recovery”。Linux 会在下次挂载时重放它。在其他地方读取这张卡的软件也必须重放日志，否则显示的是这些事务之前的文件。

ext2、ext3 与 ext4 对比

实际上，新建的一切都用 ext4 即可。新磁盘没有理由使用 ext3；ext2 仍存在于不需要日志的地方，比如小的引导分区或需要尽量少写入的闪存介质。ext3 磁盘可以就地转换为 ext4，但已有的文件在重写之前仍保留块映射。

实际磁盘上会遇到的功能

ext 磁盘没有版本号，而是在超级块中带有功能标志，每个标志属于三类之一。兼容功能可以被不认识它的软件忽略；只读兼容意味着这样的软件可以读取磁盘但不能写入；不兼容意味着它根本不能碰这个磁盘。正是这条规则让旧工具拒绝新磁盘，而不是把它弄坏。

在哪里会遇到它们：当前的 mke2fs 默认启用 metadata_csum 和 64bit，e2fsprogs 1.47 又加入了 orphan_file 和 metadata_csum_seed。有些发行版会重新关闭它们，以便旧的引导加载程序也能读取磁盘。Raspberry Pi OS 镜像不带 64bit。Steam Deck 用 casefold 格式化 microSD 卡，Android 使用 encrypt。

要查看磁盘使用了哪些功能，可以在 Linux 上用 sudo dumpe2fs -h /dev/sdX1 读取超级块，查看“Filesystem features”一行。

限制

64 位的数字是格式能够寻址的范围；受区段格式和工具的限制，实际文件系统最大约为 1 EiB。更常遇到的限制是：

• 文件或文件夹名称：255 字节。每个字符需要多个字节的文字能容纳的字符更少。
• 一个文件的硬链接：65,000 个，因此一个文件夹最多有 64,998 个子文件夹。
• 时间戳：纳秒精度，256 字节索引节点可用到 2446 年 5 月；128 字节索引节点在 2038 年 1 月到期。
• 索引节点：格式化时确定，每个文件或文件夹一个，最多约 40 亿个。

检查和修复 ext4 磁盘

ext 文件系统的检查和修复由 Linux 上 e2fsprogs 中的 e2fsck 负责。它必须在未挂载的磁盘上运行；在已挂载的文件系统上运行可能会损坏它。

sudo dumpe2fs -h /dev/sdX1      # 超级块：功能、状态、上次检查
sudo e2fsck -fn /dev/sdX1        # 只读完整检查：只报告，不做任何修改
sudo e2fsck -f /dev/sdX1         # 带修复的完整检查：每项修复都会询问
sudo tune2fs -l /dev/sdX1        # 同样的超级块概要
sudo mkfs.ext4 -L DATA /dev/sdX1 # 新建 ext4 文件系统（会清除该分区）

把 /dev/sdX1 换成对应的分区，lsblk 可以列出它们。非正常关机后通常什么都不用做：下次挂载时日志会被重放。需要完整检查的情况是：Linux 在超级块中记录了错误、校验和不匹配，或者磁盘所在的设备反复死机。

ext4 与其他文件系统

对于不装任何软件就要在 Linux、Mac 和 Windows 之间来回使用的磁盘，共同的选择是 exFAT。代价是失去 Linux 权限、所有者、符号链接，以及写入中途拔线时的保护。ext4 保留了这一切，但在 Mac 和 Windows 上需要额外软件。

在 Mac 或 Windows 上读取 ext4

macOS 无法读取任何 ext 文件系统。连接 Linux 磁盘后，macOS 会提示无法读取该磁盘，并提供初始化、忽略和推出。初始化会清除磁盘，请选择忽略或推出。

从 macOS 15.4 起，Apple 的 FSKit 可以让文件系统在内核之外作为普通的应用扩展运行，这也是 Apple 自己较新的文件系统所采用的方式，无需内核扩展，也无需降低安全设置。其他途径包括内核扩展、FUSE 之类的用户空间层，或者接管磁盘的 Linux 虚拟机。

在 Windows 11 上，WSL 2 可以挂载 Linux 磁盘：在管理员终端中运行 wsl --mount \\.\PHYSICALDRIVE2 --partition 1 --type ext4，文件就会出现在文件资源管理器的 \\wsl$\ 下以及发行版的 /mnt/wsl 中。这只适用于直接连接到电脑的磁盘，不适用于 U 盘或 SD 读卡器，这类设备需要先通过 USB/IP 交给 WSL。

Extent 是我们为 macOS 27 打造的 ext2、ext3 和 ext4 FSKit 文件系统。Linux 磁盘会像其他磁盘一样出现在访达中。读取免费；写入 ext4 与 Linux 一样经过磁盘的日志；没有关机就从 Pi 上拔下的存储卡，它会在内存中重放日志后读取。

常见问题