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inode的探讨
时间:2017-09-12作者:华清远见

在linux文件系统中,最常见的就是inode,大部分人只是听过,但不知道这到底是东西,其实最简单的理解就是一个文件对应一个inode,一个目录可能对应多个inode。

一、inode是什么?

理解inode,要从文件储存说起。

文件储存在硬盘上,硬盘的最小存储单位叫做"扇区"(Sector)。每个扇区储存512字节(相当于0.5KB)。操作系统读取硬盘的时候,不会一个个扇区地读取,这样效率太低,而是一次性连续读取多个扇区,即一次性读取一个"块"(block)。这种由多个扇区组成的"块",是文件存取的最小单位。"块"的大小,最常见的是4KB,即连续八个 sector组成一个 block。

   文件数据都储存在"块"中,那么很显然,我们还必须找到一个地方储存文件的元信息,比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode,中文译名为"索引节点"。

二、inode的内容

inode包含文件的元信息,具体来说有以下内容:

  * 文件的字节数

  * 文件拥有者的User ID

  * 文件的Group ID

  * 文件的读、写、执行权限

  * 文件的时间戳,共有三个:ctime指inode上一次变动的时间,mtime指文件内容上一次变动的时间,atime指文件上一次打开的时间。

  * 链接数,即有多少文件名指向这个inode

  * 文件数据block的位置

可以用stat命令,查看某个文件的inode信息:

stat example.txt

总之,除了文件名以外的所有文件信息,都存在inode之中。至于为什么没有文件名,下文会有详细解释。

三、inode的大小

inode也会消耗硬盘空间,所以硬盘格式化的时候,操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区,存放文件数据;另一个是inode区(inode table),存放inode所包含的信息。

每个inode节点的大小,一般是128字节或256字节。inode节点的总数,在格式化时就给定,一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中,每个inode节点的大小为128字节,每1KB就设置一个inode,那么inode table的大小就会达到128MB,占整块硬盘的12.8%。

查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量,可以使用df命令。

df -i

查看每个inode节点的大小,可以用如下命令:

sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep "Inode size"

由于每个文件都必须有一个inode,因此有可能发生inode已经用光,但是硬盘还未存满的情况。这时,就无法在硬盘上创建新文件。 

四、inode号码

每个inode都有一个号码,操作系统用inode号码来识别不同的文件。

这里值得重复一遍,Unix/Linux系统内部不使用文件名,而使用inode号码来识别文件。对于系统来说,文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。表面上,用户通过文件名,打开文件。实际上,系统内部这个过程分成三步:首先,系统找到这个文件名对应的inode号码;其次,通过inode号码,获取inode信息;最后,根据inode信息,找到文件数据所在的block,读出数据。

使用ls -i命令,可以看到文件名对应的inode号码:

ls -i a.txt

五、目录文件

Unix/Linux系统中,目录(directory)也是一种文件。打开目录,实际上就是打开目录文件。

目录文件的结构非常简单,就是一系列目录项(dirent)的列表。每个目录项,由两部分组成:所包含文件的文件名,以及该文件名对应的inode号码。

ls命令只列出目录文件中的所有文件名:

ls /etc

ls -i命令列出整个目录文件,即文件名和inode号码:

ls -i /etc

如果要查看文件的详细信息,就必须根据inode号码,访问inode节点,读取信息。ls -l命令列出文件的详细信息。

ls -l /etc

六、硬链接

一般情况下,文件名和inode号码是"一一对应"关系,每个inode号码对应一个文件名。但是,Unix/Linux系统允许,多个文件名指向同一个inode号码。这意味着,可以用不同的文件名访问同样的内容;对文件内容进行修改,会影响到所有文件名;但是,删除一个文件名,不影响另一个文件名的访问。这种情况就被称为"硬链接"(hard link)。

ln命令可以创建硬链接:

ln 源文件 目标文件

运行上面这条命令以后,源文件与目标文件的inode号码相同,都指向同一个inode。inode信息中有一项叫做"链接数",记录指向该inode的文件名总数,这时就会增加1。反过来,删除一个文件名,就会使得inode节点中的"链接数"减1。当这个值减到0,表明没有文件名指向这个inode,系统就会回收这个inode号码,以及其所对应block区域。

这里顺便说一下目录文件的"链接数"。创建目录时,默认会生成两个目录项:"."和".."。前者的inode号码就是当前目录的inode号码,等同于当前目录的"硬链接";后者的inode号码就是当前目录的父目录的inode号码,等同于父目录的"硬链接"。所以,任何一个目录的"硬链接"总数,总是等于2加上它的子目录总数(含隐藏目录),这里的2是父目录对其的“硬链接”和当前目录下的".硬链接“。

七、软链接

除了硬链接以外,还有一种特殊情况。文件A和文件B的inode号码虽然不一样,但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时,系统会自动将访问者导向文件B。因此,无论打开哪一个文件,最终读取的都是文件B。这时,文件A就称为文件B的"软链接"(soft link)或者"符号链接(symbolic link)。

这意味着,文件A依赖于文件B而存在,如果删除了文件B,打开文件A就会报错:"No such file or directory"。这是软链接与硬链接最大的不同:文件A指向文件B的文件名,而不是文件B的inode号码,文件B的inode"链接数"不会因此发生变化。

ln -s命令可以创建软链接。

ln -s 源文文件或目录 目标文件或目录

八、inode的特殊作用

由于inode号码与文件名分离,这种机制导致了一些Unix/Linux系统特有的现象。

  1. 有时,文件名包含特殊字符,无法正常删除。这时,直接删除inode节点,就能起到删除文件的作用。

  2. 移动文件或重命名文件,只是改变文件名,不影响inode号码。

  3. 打开一个文件以后,系统就以inode号码来识别这个文件,不再考虑文件名。因此,通常来说,系统无法从inode号码得知文件名。

   这里总结一下,每个文件关联一个inode,因为在内核中存在一个inode结构体,而在同一个目录中的文件组成了双休链表,这样打一个指定一个文件,就可以通过双向链表来索引。而对于硬链接只有一个inode号码,把连接文件和原始文件指向同一个inode号码。软链接又名符号连接,在连接文件中存在的是原始文件的路径,所以与inode没有关系。原始文件的改变会使连接查找不到而产生错误。


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