Linux文件元数据和节点表结构

文件元数据

一块硬盘的分区可以认为有两部分组成，保存元数据的成为节点表，用来保存属性等。
元数据中有个小指针，指向数据存放的实际空间。

元数据（Metadata）

又称中介数据、中继数据，为描述数据的数据（data about data），主要是描述数据属性（property）的信息，用来支持如指示存储位置、历史数据、资源查找、文件记录等功能。

inode表结构

每个文件的属性信息，比如：文件的大小，时间，类型等，称为文件的元数据(meta data)。这此元数
据是存放在node（index node）表中。node 表中有很多条记录组成，第一条记录对应的存放了一个文件的元数据信息
第一个node表记录对应的保存了以下信息：

• inode number 节点号 每个数据都有一个唯一标识 stat查看
• 文件类型
• 权限
• UID
• GID
• 链接数（指向这个文件名路径名称个数）
• 该文件的大小和不同的时间戳
• 指向磁盘上文件的数据块指针
• 有关文件的其他数据

[root@C8-1 ~]# ls -i
34011033 a{1-3}.test  34060751 b{1-3}.test  34060752 c{1-3}.test
[root@C8-1 ~]# stat a{1-3}.test 
  File: a{1-3}.test
  Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
Device: fd00h/64768d	Inode: 34011033    Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
Access: 2020-06-19 09:59:08.761754380 -0400
Modify: 2020-06-19 09:59:08.761754380 -0400
Change: 2020-06-19 09:59:08.761754380 -0400
 Birth: -

指针

磁盘是一种块文件，以块的方式来存储数据，每块通常都是4K，

• 直接指针
  直接指针直接指向存放的位置，直接指针只有12个，12x4K=48K，可以表达48K的数据
  一个文件假如是1K或者哪怕是一个字节，也要分配一块4k的空间来存储这个文件，
  一个文件假如是10k，分配3块空间来存放，就有3个指针来指向存放的3个块
• 间接指针
  指针不是直接指向数据存储的位置，而是指向指针块，指针块也是4K大小，
  一个指针放4个字节，一个指针块可以放1024个指针，4Kx1024=4M ，可以表达4M的数据
  超过48K低于4M，就可以用间接指针来表示
• 双重间接指针
  一个间接指针块指向另一个间接指针块矩阵
  4Kx1024x1024=4G，可以表达4G的数据
• 三重间接指针
  4Kx1024x1024x1024=4T，可以表达4T的数据

指针是有很多个组合而成的

不同的系统底层并不完全相同，仅此ext格式为例，逻辑相通

如果文件越大，速度越慢！
找一个文件,现在分区中找节点表，

目录

目录是个特殊文件，目录的文件内容保存了此目录中文件的列表及inode number对应关系
节点表里没有文件名，文件名是放在目录中的。在目录块里存放着每个文件的文件名和节点编号的对应关系。

• 文件引用一个是 inode号
• 人是通过文件名来引用一个文件
• 一个目录是目录下的文件名和文件inode号之间的映射
  示例：
  有一个节点表，每个节点表中放的就是元数据，node1代表着这个文件夹对应的节点表。
  dir1的数据块里边存放着两个文件a和b，a对应inode1，b对应inode2，通过节点表对应到他数据的所在位置，

文件命令的本质

cp和inode

cp 命令：

• 分配一个空闲的inode号，在inode表中生成新条目
• 在目录中创建一个目录项，将名称与inode编号关联
• 拷贝数据生成新的文件

rm和inode

rm 命令：

• 链接数递减，从而释放的inode号可以被重用
• 把数据块放在空闲列表中
• 删除目录项
• 数据实际上不会马上被删除，但当另一个文件使用数据块时将被覆盖

mv和inode

移动相当于拷贝加删除，在同一分区，只是改一下记录，数据没动

• 如果mv命令的目标和源在相同的文件系统，作为mv 命令
• 用新的文件名创建对应新的目录项
• 删除旧目录条目对应的旧的文件名
• 不影响inode表（除时间戳）或磁盘上的数据位置：没有数据被移动！
• 如果目标和源在一个不同的文件系统， mv相当于cp和rm

节点编号的限制

节点编号是有使用范围的，可以反复使用。
在一个分区中，节点编号是有限资源。
同一分区移动文件，节点编号不变。
一旦跨了分区，节点编号改变。

查看分区情况和节点编号

每个独立的分区都有自己Inodes可分配额
使用df -i命令查看最多可分配Inodes的数量

[root@C8-1 ~]# df -h ##查看分区使用情况
Filesystem           Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs             886M     0  886M   0% /dev
tmpfs                904M     0  904M   0% /dev/shm
tmpfs                904M  8.7M  895M   1% /run
tmpfs                904M     0  904M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root   17G  2.1G   15G  12% /
/dev/sda1            976M  139M  771M  16% /boot
tmpfs                181M     0  181M   0% /run/user/0
[root@C8-1 ~]# df -i  ##可以查看最多可分配Inodes的数量
Filesystem           Inodes IUsed   IFree IUse% Mounted on
devtmpfs             226760   376  226384    1% /dev
tmpfs                231191     1  231190    1% /dev/shm
tmpfs                231191   584  230607    1% /run
tmpfs                231191    17  231174    1% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root 8910848 60173 8850675    1% /
/dev/sda1             65536   309   65227    1% /boot
tmpfs                231191     5  231186    1% /run/user/0

范例：

• 耗尽节点编号

[root@C8-1 ~]# mkdir /boot/testdir ##创建测试文件夹
[root@C8-1 ~]# df -i  ##查看Inodes情况
Filesystem           Inodes IUsed   IFree IUse% Mounted on
devtmpfs             226760   376  226384    1% /dev
tmpfs                231191     1  231190    1% /dev/shm
tmpfs                231191   584  230607    1% /run
tmpfs                231191    17  231174    1% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root 8910848 60173 8850675    1% /
/dev/sda1             65536   310   65226    1% /boot ##还有65226个可用
tmpfs                231191     5  231186    1% /run/user/0
[root@C8-1 ~]# cd /boot/testdir/
[root@C8-1 testdir]# ll
total 0
[root@C8-1 testdir]# touch {1..65526}.test  ##创建65526个空文件
touch: cannot touch '65227.test': No space left on device ##创建到65527个文件的时候报错了
[root@C8-1 testdir]# df -i ##查看Inodes情况
Filesystem           Inodes IUsed   IFree IUse% Mounted on
devtmpfs             226760   376  226384    1% /dev
tmpfs                231191     1  231190    1% /dev/shm
tmpfs                231191   584  230607    1% /run
tmpfs                231191    17  231174    1% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root 8910848 60173 8850675    1% /
/dev/sda1             65536 65536       0  100% /boot  ##节点编号已耗尽
tmpfs                231191     5  231186    1% /run/user/0
[root@C8-1 testdir]# df -h ##查看Inodes使用情况
Filesystem           Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs             886M     0  886M   0% /dev
tmpfs                904M     0  904M   0% /dev/shm
tmpfs                904M  8.7M  895M   1% /run
tmpfs                904M     0  904M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root   17G  2.1G   15G  12% /
/dev/sda1            976M  141M  769M  16% /boot  ##/boot分区仍有可用空间，但已无法创建文件
tmpfs                181M     0  181M   0% /run/user/0
##删除后恢复
[root@C8-1 ~]# rm -rf /boot/testdir/
[root@C8-1 ~]# type rm
rm is aliased to `rm -i'
[root@C8-1 ~]# df -i
Filesystem           Inodes IUsed   IFree IUse% Mounted on
devtmpfs             226760   376  226384    1% /dev
tmpfs                231191     1  231190    1% /dev/shm
tmpfs                231191   583  230608    1% /run
tmpfs                231191    17  231174    1% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root 8910848 60173 8850675    1% /
/dev/sda1             65536   309   65227    1% /boot
tmpfs                231191     5  231186    1% /run/user/0

• 耗尽分区空间
  dd可以创建一个大文件

[root@C8-1 ~]# df -h
Filesystem           Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs             886M     0  886M   0% /dev
tmpfs                904M     0  904M   0% /dev/shm
tmpfs                904M  8.7M  895M   1% /run
tmpfs                904M     0  904M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root   17G  2.1G   15G  12% /
/dev/sda1            976M  139M  771M  16% /boot
tmpfs                181M     0  181M   0% /run/user/0
[root@C8-1 ~]# mkdir /boot/testdir/
[root@C8-1 ~]# dd if=/dev/zero of=/boot/bigfile bs=1M count=771
771+0 records in
771+0 records out
808452096 bytes (808 MB, 771 MiB) copied, 6.70666 s, 121 MB/s
[root@C8-1 ~]# df -h
Filesystem           Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs             886M     0  886M   0% /dev
tmpfs                904M     0  904M   0% /dev/shm
tmpfs                904M  8.7M  895M   1% /run
tmpfs                904M     0  904M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root   17G  2.1G   15G  12% /
/dev/sda1            976M  910M     0 100% /boot
tmpfs                181M     0  181M   0% /run/user/0
[root@C8-1 ~]# ll -h /boot/bigfile 
-rw-r--r--. 1 root root 771M Jun 20 02:18 /boot/bigfile

当文件被使用时，虽然删掉了，但空间仍然没有释放，因为文件存在于内存中

[root@C8-1 ~]# rm -rf /boot/bigfile 
[root@C8-1 ~]# df -h
Filesystem           Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs             886M     0  886M   0% /dev
tmpfs                904M     0  904M   0% /dev/shm
tmpfs                904M  8.7M  895M   1% /run
tmpfs                904M     0  904M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root   17G  2.1G   15G  12% /
/dev/sda1            976M  910M     0 100% /boot
tmpfs                181M     0  181M   0% /run/user/0

使用lsof查看一下已经删掉的文件

[root@C8-1 ~]# lofs |grep delete
-bash: lofs: command not found
[root@C8-1 ~]# lsof |grep delete
systemd-u  704                          root    8r      REG              253,0   6406312   34011028 /var/lib/sss/mc/group (deleted)
systemd-u  704                          root    9r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
auditd     853                          root    4r      REG              253,0   6406312   34011028 /var/lib/sss/mc/group (deleted)
auditd     853  854 auditd              root    4r      REG              253,0   6406312   34011028 /var/lib/sss/mc/group (deleted)
auditd     853  856 auditd              root    4r      REG              253,0   6406312   34011028 /var/lib/sss/mc/group (deleted)
mcelog     878                          root    4r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
lsmd       880                libstoragemgmt    3r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
dbus-daem  881                          dbus    5r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
dbus-daem  881                          dbus    6r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
dbus-daem  881  893 dbus-daem           dbus    5r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
dbus-daem  881  893 dbus-daem           dbus    6r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
sssd       883                          root    6r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
sssd       883                          root   16r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
polkitd    884                       polkitd    4r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
polkitd    884  900 gmain            polkitd    4r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
polkitd    884  901 gdbus            polkitd    4r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
polkitd    884  907 JSx20Hel        polkitd    4r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
polkitd    884  908 JSx20Hel        polkitd    4r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
polkitd    884  923 polkitd          polkitd    4r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
VGAuthSer  885                          root    8r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
vmtoolsd   886                          root    3r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
vmtoolsd   886  914 gmain               root    3r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
chronyd    892                        chrony    5r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
sssd_be    909                          root   18r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
sssd_be    909                          root   19r      REG              253,0  10406312   34011031 /var/lib/sss/mc/initgroups (deletd)
sssd_nss   916                          root   17r      REG              253,0   8406312   34011025 /var/lib/sss/mc/passwd (deleted)
firewalld  926                          root    7u      REG              253,0      4096     609362 /tmp/#609362 (deleted)
firewalld  926 1373 gmain               root    7u      REG              253,0      4096     609362 /tmp/#609362 (deleted)
vim       1796                          root    5r      REG                8,1 808452096        309 /boot/bigfile (deleted)

发现 309 /boot/bigfile (deleted)正在由root执行vim占用着，所以没有释放空间，还在内存中
直接把占用程序kill掉，可以释放，但不安全。
使用重定向null直接清空大文件，然后再删除，可以快速释放空间。
cat null只是将文件清空，并没有删除文件。可以快速释放空间。

[root@C8-1 ~]# ll -h /boot/bigfile
-rw-r--r--. 1 root root 771M Jun 20 02:57 bigfile
[root@C8-1 ~]# cat /dev/null > /boot/bigfile 
[root@C8-1 ~]# df -h
Filesystem           Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs             886M     0  886M   0% /dev
tmpfs                904M     0  904M   0% /dev/shm
tmpfs                904M  8.7M  895M   1% /run
tmpfs                904M     0  904M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/cl-root   17G  2.1G   15G  12% /
/dev/sda1            976M  139M  771M  16% /boot
tmpfs                181M     0  181M   0% /run/user/0
[root@C8-1 ~]# ll -h /boot/bigfile
-rw-r--r--. 1 root root    0 Jun 20 02:58 bigfile