面试题：特定文件系统损坏场景下的恢复策略

Question

假设在EXT4文件系统中，由于突然断电导致文件系统元数据损坏，文件无法正常访问。请详细阐述恢复该文件系统的步骤及原理，包括可能用到的工具及其工作机制。

Answer 1

恢复步骤

1. 检查文件系统损坏情况
   • 使用 fsck.ext4 工具。在系统启动时，若文件系统出现问题，系统可能会自动尝试运行 fsck。也可手动运行，例如对于 /dev/sda1 分区（假设该分区为 EXT4 文件系统），命令为 fsck.ext4 /dev/sda1。
2. 备份现有数据（若可能）
   • 在尝试修复前，若文件系统还能部分挂载，可使用 mount -o ro /dev/sda1 /mnt 以只读方式挂载，然后将重要数据拷贝到其他存储设备。这一步骤可避免修复过程中数据进一步丢失。
3. 修复文件系统
   • 若 fsck.ext4 检测到错误，它会提示是否修复。按提示选择自动修复或手动确认修复。对于严重损坏，可能需要多次运行 fsck.ext4。
   • 若 fsck.ext4 无法解决问题，可尝试使用 e2fsck 工具，它是 fsck.ext4 的底层工具，功能更强大。例如 e2fsck -y /dev/sda1，-y 参数表示自动回答 “yes” 进行修复。
4. 恢复文件系统日志（若有日志损坏）
   • EXT4 文件系统使用日志来记录文件系统的更改。若日志损坏，fsck.ext4 或 e2fsck 会尝试重建日志。这一过程通常是自动的，工具会根据文件系统的元数据和剩余的日志片段来重建日志。
5. 重新挂载文件系统
   • 修复完成后，尝试以读写方式挂载文件系统，命令为 mount /dev/sda1 /mnt。若挂载成功，检查文件是否可正常访问。

原理

1. 文件系统元数据结构
   • EXT4 文件系统的元数据包括超级块（Superblock）、块组描述符表（Group Descriptor Table）、inode 表等。超级块存储文件系统的基本信息，如块大小、inode 总数等；块组描述符表记录每个块组的使用情况；inode 表存储文件和目录的元数据，如文件大小、权限、所有者等。突然断电可能导致这些元数据的部分数据丢失或损坏，使得文件系统无法正确识别文件和目录的位置及属性。
2. fsck.ext4 和 e2fsck 工作机制
   • 扫描与校验：fsck.ext4 和 e2fsck 工具会扫描整个文件系统，从超级块开始，依次检查块组描述符表、inode 表等元数据结构。它们会验证每个结构的完整性，例如检查块组描述符中的块使用计数是否与实际使用情况相符，inode 的链接计数是否正确等。
   • 修复策略：当发现错误时，工具会根据错误类型进行修复。对于简单的错误，如块使用计数错误，工具会直接纠正计数；对于更复杂的错误，如丢失的 inode，工具可能会尝试从文件系统的空闲空间或未分配块中恢复 inode。对于损坏的日志，工具会尝试根据剩余的元数据和文件系统状态重建日志，以确保文件系统的一致性。

用到的工具及其工作机制

1. fsck.ext4
   • 概述：它是专门用于检查和修复 EXT4 文件系统的工具，是 fsck 工具针对 EXT4 文件系统的特定版本。
   • 工作机制：
     • 初始化：读取文件系统的超级块，获取文件系统的基本参数，如块大小、块组数等。
     • 块组扫描：遍历块组描述符表，检查每个块组的状态，包括块使用情况、inode 使用情况等。
     • inode 检查：检查 inode 表，验证每个 inode 的完整性，如文件大小、权限等属性是否正确，inode 的链接计数是否与实际链接数相符。
     • 目录检查：遍历目录结构，检查目录项与 inode 的对应关系，确保目录项指向有效的 inode，并且目录项中的文件名和 inode 中的文件名一致。
     • 修复：根据检查结果，对发现的错误进行修复，如纠正块使用计数、恢复丢失的 inode 等。
2. e2fsck
   • 概述：是 EXT2/EXT3/EXT4 文件系统的底层检查和修复工具，fsck.ext4 实际上是 e2fsck 的前端包装工具，提供了更友好的用户界面和针对 EXT4 文件系统的默认设置。
   • 工作机制：
     • 扫描文件系统：与 fsck.ext4 类似，从超级块开始，深度遍历文件系统的所有元数据结构，包括块组描述符、inode 表、目录结构等。
     • 错误检测与分类：识别各种类型的错误，如元数据校验和错误、块分配不一致、inode 损坏等，并根据错误的严重程度和类型进行分类。
     • 修复操作：基于错误分类，采取不同的修复策略。对于一些可自动修复的错误，如简单的块使用计数错误，直接进行修复；对于复杂错误，如严重损坏的 inode 或目录结构，可能会尝试更复杂的恢复操作，如从文件系统的备份信息或未分配空间中重建损坏的结构。同时，它还会根据文件系统的日志（若存在且未损坏）来恢复文件系统的一致性，确保已提交的事务被正确记录，未完成的事务被回滚。