• 理解inode


      inode是Linux操作系统中的一种数据结构,它包含了与文件系统中各个文件相关的一些重要信息。在Linux中创建文件系统时,同时将会创建大量的 inode 。通常,文件系统磁盘空间中大约百分之一空间分配给了inode表。

      在展开inode前,我们先简单看下虚拟文件系统(Virtual File System, VFS)。

    虚拟文件系统(VFS)

      Linux 有着极其丰富的文件系统,大体上可分如下几类:

    1. 网络文件系统,如 nfs、cifs 等;
    2. 磁盘文件系统,如 ext4、ext3 等;
    3. 特殊文件系统,如 proc、sysfs、ramfs、tmpfs 等。

      实现以上这些文件系统并在 Linux 下共存的基础就是 Linux VFS(Virtual File System 又称 Virtual Filesystem Switch),即虚拟文件系统。VFS 作为一个通用的文件系统,抽象了文件系统的四个基本概念:文件、目录项 (dentry)、索引节点 (inode) 及挂载点,其在内核中为用户空间层的文件系统提供了相关的接口(见下图1所示 VFS 在 Linux 系统的架构)。VFS 实现了 open()、read() 等系统调并使得 cp 等用户空间程序可跨文件系统。VFS 真正实现了上述内容中:在 Linux 中除进程之外一切皆是文件。

      图 3. VFS 在系统中的架构

      图1. VFS在系统中的架构

      图1更详细的如下图所示:

      vfs_relations_static

      关于VFS详细,可参考博文理解 Linux 的硬链接与软链接解析 Linux 中的 VFS 文件系统机制从文件 I/O 看 Linux 的虚拟文件系统Linux 文件系统剖析

      关于Linux文件系统,还有详细的IBM博文系列Linux 文件系统

      下文重点涉及索引节点,内容主要摘录自阮一峰博文理解inode

    inode

    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"。

      每一个文件都有对应的inode,里面包含了与该文件有关的一些信息。

    inode的内容

      在 Linux 中,索引节点结构存在于系统内存及磁盘,其可区分成 VFS inode 与实际文件系统的 inode。VFS inode 作为实际文件系统中 inode 的抽象,定义了结构体 inode 与其相关的操作 inode_operations(见内核源码 include/linux/fs.h)。

      inode包含文件的元信息,具体来说有以下内容:

      其中inode(index node,索引节点)是用于存储文件的元数据的一个数据结构。文件的元数据,也就是文件的相关信息,和文件本身是两个不同 的概念。它包含的是诸如文件的大小、拥有者、创建时间、磁盘位置等和文件相关的信息。

    * 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。

    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。

    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。如下图:

      inode

      图片链接

      使用ls -i命令,可以看到文件名对应的inode号码:

    ls -i example.txt

      

    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

      

      理解了上面这些知识,就能理解目录的权限。目录文件的读权限(r)和写权限(w),都是针对目录文件本身。由于目录文件内只有文件名和inode号码,所以如果只有读权限,只能获取文件名,无法获取其他信息,因为其他信息都储存在inode节点中,而读取inode节点内的信息需要目录文件的执行权限(x)。

    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)。这种情况下,硬链接相当于文件的别名。

      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)。

    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)。这种情况下,文件A相当于文件B的快捷方式。

      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

      

    软硬链接区别

      由于硬链接是有着相同 inode 号仅文件名不同的文件,因此硬链接存在以下几点特性:

    • 文件有相同的 inode 及 data block;
    • 只能对已存在的文件进行创建;
    • 不能交叉文件系统进行硬链接的创建;
    • 不能对目录进行创建,只可对文件创建;
    • 删除一个硬链接文件并不影响其他有相同 inode 号的文件。

      软链接与硬链接不同,若文件用户数据块中存放的内容是另一文件的路径名的指向,则该文件就是软连接。软链接就是一个普通文件,只是数据块内容有点特殊。软链接有着自己的 inode 号以及用户数据块(见图2)。因此软链接的创建与使用没有类似硬链接的诸多限制:

    • 软链接有自己的文件属性及权限等;
    • 可对不存在的文件或目录创建软链接;
    • 软链接可交叉文件系统;
    • 软链接可对文件或目录创建;
    • 创建软链接时,链接计数 i_nlink 不会增加;
    • 删除软链接并不影响被指向的文件,但若被指向的原文件被删除,则相关软连接被称为死链接(即 dangling link,若被指向路径文件被重新创建,死链接可恢复为正常的软链接)。

      图 2. 软链接的访问

      图2. 软链接的访问

    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。

      第3点使得软件更新变得简单,可以在不关闭软件的情况下进行更新,不需要重启。因为系统通过inode号码,识别运行中的文件,不通过文件名。更新的时候,新版文件以同样的文件名,生成一个新的inode,不会影响到运行中的文件。等到下一次运行这个软件的时候,文件名就自动指向新版文件,旧版文件的inode则被回收。

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