Linux 的文件与曼目录
现代操作系统为解决信息能独立于进程之外被长期储存引入了文件，文件作为进程创建信息的逻辑单元可被多个进程并发使用。在Unix系统中，操作系统为磁盘上的文本与图像，鼠标与键盘灯输入设备及网络交互等 I/O 操作设计了一组通用API，使他们被处理时均可统一使用字节流方式。换言之，Unix系统中除进程之外的一切皆是文件，而Linux保持了这一特性。为了便于文件的管理，Linux还引入了目录（有时也被称为文件夹）这一概念，目录使文件被分类管理，且目录的引入使Linux的文件系统形成一个层级结构的目录树。下图所示的是普通Linux系统的顶层目录结构，其中/dev 是存放了设备相关文件的目录
/ 根目录 ├── bin 存放用户二进制文件 ├── boot 存放内核引导配置文件 ├── dev 存放设备文件 ├── etc 存放系统配置文件 ├── home 用户主目录 ├── lib 动态共享库 ├── lost+found 文件系统恢复时的恢复文件 ├── media 可卸载存储介质挂载点 ├── mnt 文件系统临时挂载点 ├── opt 附加的应用程序包 ├── proc 系统内存的映射目录，提供内核与进程信息 ├── root root 用户主目录 ├── sbin 存放系统二进制文件 ├── srv 存放服务相关数据 ├── sys sys 虚拟文件系统挂载点 ├── tmp 存放临时文件 ├── usr 存放用户应用程序 └── var 存放邮件、系统日志等变化文件
Linux 与其他类Unix系统一样并不区分文件和目录：目录是记录了其他文件名的文件。使用命令mkdir 创建目录时，若期望创建的目录的名称与现有的文件名（或目录名）重复，则会创建失败。
int fd; struct input_event ie; fd = open("/dev/input/event5", O_RDONLY); read(fd, &ie, sizeof(struct input_event)); printf("type = %d code = %d value = %d ", ie.type, ie.code, ie.value); close(fd);
# stat /home/harris/source/glibc-2.16.0.tar.xz File: `/home/harris/source/glibc-2.16.0.tar.xz' Size: 9990512 Blocks: 19520 IO Block: 4096 regular file Device: 807h/2055d Inode: 2485677 Links: 1 Access: (0600/-rw-------) Uid: ( 1000/ harris) Gid: ( 1000/ harris) ... ... # mv /home/harris/source/glibc-2.16.0.tar.xz /home/harris/Desktop/glibc.tar.xz # ls -i -F /home/harris/Desktop/glibc.tar.xz 2485677 /home/harris/Desktop/glibc.tar.xz
在 Linux 系统中查看 inode 号 可使用命令 stat 或 ls -i(若是 AIX 系统，则使用命令 istat )。在上图中使用命令mv移动并重命名文件glibc-2.16.0.tar.xz 其结果不影响文件的 用户数据及inode 号，文件移动前后 inode 号均为：2485677.
为了解决文件的共享使用，Linux 系统引入两种链接：硬链接（hard link）和软链接（又称符号链接，即soft link 或 symbolic link）。链接为Linux系统解决了文件的共享使用，还带来了隐藏文件路径，增加权限安全及节省储存等好处。若一个inode号对应多个文件名，则称这些文件为硬链接。换言之，硬链接就是同一个文件使用多个别名。硬链接可由命令 link 或 ln 创建。如下是对文件oldfile 创建硬链接。
link oldfile newfile
ln oldfile newfile
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个特性：
- 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相同 inode 号的文件
# ls -li total 0 // 只能对已存在的文件创建硬连接 # link old.file hard.link link: cannot create link `hard.link' to `old.file': No such file or directory # echo "This is an original file" > old.file # cat old.file This is an original file # stat old.file File: `old.file' Size: 25 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file Device: 807h/2055d Inode: 660650 Links: 2 Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root) ... // 文件有相同的 inode 号以及 data block # link old.file hard.link | ls -li total 8 660650 -rw-r--r-- 2 root root 25 Sep 1 17:44 hard.link 660650 -rw-r--r-- 2 root root 25 Sep 1 17:44 old.file // 不能交叉文件系统 # ln /dev/input/event5 /root/bfile.txt ln: failed to create hard link `/root/bfile.txt' => `/dev/input/event5': Invalid cross-device link // 不能对目录进行创建硬连接 # mkdir -p old.dir/test # ln old.dir/ hardlink.dir ln: `old.dir/': hard link not allowed for directory # ls -iF 660650 hard.link 657948 old.dir/ 660650 old.file
文件 old.file 与 hard.link 有着相同的 inode 号：660650 及文件权限，inode 是随着文件的存在而存在，因此只有当文件存在时才可以创建硬链接，即当inode 存在且链接计数器（link count）不为 0 时。inode 号仅在各文件系统下是唯一的，当 Linux 挂在多个文件系统后将出现 inode 号重复的现象，如下图所示，文件 t3.jpg,sync,及123.txt 并无关联，却有着相同的 inode 号，因此硬链接创建是不可跨文件系统的。设备文件目录/dev 使用的文件系统是 devtmpfs ，而 /root 使用的是磁盘文件系统 ext4。下图展示了使用命令 df 查看当前系统中挂载的文件系统类型，各文件系统 inode 使用情况及文件系统挂载点。
查找有相同 inode 号的文件
# df -i --print-type Filesystem Type Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on /dev/sda7 ext4 3147760 283483 2864277 10% / udev devtmpfs 496088 553 495535 1% /dev tmpfs tmpfs 499006 491 498515 1% /run none tmpfs 499006 3 499003 1% /run/lock none tmpfs 499006 15 498991 1% /run/shm /dev/sda6 fuseblk 74383900 4786 74379114 1% /media/DiskE /dev/sda8 fuseblk 29524592 19939 29504653 1% /media/DiskF # find / -inum 1114 /media/DiskE/Pictures/t3.jpg /media/DiskF/123.txt /bin/sync
值得一提的是，Linux 系统存在 inode 号被用完但磁盘空间还有剩余的情况。我们创建一个5M大小的ext4类型的mo.img文件，并将其挂载至/mnt。然后我们使用一个shell脚本将其挂载在 /mnt 下ext4文件系统的inode 耗尽，下图
# dd if=/dev/zero of=mo.img bs=5120k count=1 # ls -lh mo.img -rw-r--r-- 1 root root 5.0M Sep 1 17:54 mo.img # mkfs -t ext4 -F ./mo.img ... OS type: Linux Block size=1024 (log=0) Fragment size=1024 (log=0) Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks 1280 inodes, 5120 blocks 256 blocks (5.00%) reserved for the super user ... ... Writing superblocks and filesystem accounting information: done # mount -o loop ./mo.img /mnt # cat /mnt/inode_test.sh #!/bin/bash for ((i = 1; ; i++)) do if [ $? -eq 0 ]; then echo "This is file_$i" > file_$i else exit 0 fi done # ./inode_test.sh ./inode_test.sh: line 6: file_1269: No space left on device # df -iT /mnt/; du -sh /mnt/ Filesystem Type Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on /dev/loop0 ext4 1280 1280 0 100% /mnt 1.3M /mnt/
硬链接不能对目录创建是受限于文件系统的设计。现 Linux 文件系统中的目录均隐藏了两个特殊的目录：当前目录（.）与父目录（..）。查看这两个特殊目录的 inode 号可知其实这两目录就是两个硬链接（注意目录 /mnt/lost+found/ 的 inode 号）。若系统允许对目录创建硬链接，则会产生目录环。
# ls -aliF /mnt/lost+found total 44 11 drwx------ 2 root root 12288 Sep 1 17:54 ./ 2 drwxr-xr-x 3 root root 31744 Sep 1 17:57 ../ # stat /mnt/lost+found/ File: `/mnt/lost+found/' Size: 12288 Blocks: 24 IO Block: 1024 directory Device: 700h/1792d Inode: 11 Links: 2 Access: (0700/drwx------) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root) Access: 2012-09-01 17:57:17.000000000 +0800 Modify: 2012-09-01 17:54:49.000000000 +0800 Change: 2012-09-01 17:54:49.000000000 +0800 Birth: -
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个文件的路径名的指向，则该文件就是软链接。软链接就是一个普通文件，只是数据库内容有点特殊。软链接有着自己的 inode 号以及用户数据块。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，则相关软链接被称为死链接（即dangling link，若被指向路径文件被重新创建，死链接可以恢复正常的软链接）。
软链接的访问
# ls -li total 0 // 可对不存在的文件创建软链接 # ln -s old.file soft.link # ls -liF total 0 789467 lrwxrwxrwx 1 root root 8 Sep 1 18:00 soft.link -> old.file // 由于被指向的文件不存在，此时的软链接 soft.link 就是死链接 # cat soft.link cat: soft.link: No such file or directory // 创建被指向的文件 old.file，soft.link 恢复成正常的软链接 # echo "This is an original file_A" >> old.file # cat soft.link This is an original file_A // 对不存在的目录创建软链接 # ln -s old.dir soft.link.dir # mkdir -p old.dir/test # tree . -F --inodes . ├── [ 789497] old.dir/ │ └── [ 789498] test/ ├── [ 789495] old.file ├── [ 789495] soft.link -> old.file └── [ 789497] soft.link.dir -> old.dir/
当然软链接的用户数据也可以是另一个软链接的路径，其解析过程是递归的。但需注意：软链接创建时原文件的路径指向使用绝对路径较好。使用相对路径创建的软链接被移动后该软链接文件成为死链接
$ ls -li total 2136 656627 lrwxrwxrwx 1 harris harris 8 Sep 1 14:37 a -> data.txt 656662 lrwxrwxrwx 1 harris harris 1 Sep 1 14:37 b -> a 656228 -rw------- 1 harris harris 2186738 Sep 1 14:37 data.txt 6
链接相关命令
在 Linux 中查看当前系统已挂着的文件系统类型除上述使用命令df ，还可以使用命令 mount 或查看文件 /proc/mounts
# mount /dev/sda7 on / type ext4 (rw,errors=remount-ro) proc on /proc type proc (rw,noexec,nosuid,nodev) sysfs on /sys type sysfs (rw,noexec,nosuid,nodev) ... ... none on /run/shm type tmpfs (rw,nosuid,nodev)
命令 ls 或 stat 可帮助我们区分软链接与其他文件并查看文件 inode 号，但较好的方式还是使用 find 命令，其不仅可查找某文件的软链接，还可以用于查找相同 inode 的所有硬链接
// 查找在路径 /home 下的文件 data.txt 的软链接 # find /home -lname data.txt /home/harris/debug/test2/a // 查看路径 /home 有相同 inode 的所有硬链接 # find /home -samefile /home/harris/debug/test3/old.file /home/harris/debug/test3/hard.link /home/harris/debug/test3/old.file # find /home -inum 660650 /home/harris/debug/test3/hard.link /home/harris/debug/test3/old.file // 列出路径 /home/harris/debug/ 下的所有软链接文件 # find /home/harris/debug/ -type l -ls 656662 0 lrwxrwxrwx 1 harris harris 1 Sep 1 14:37 /home/harris/debug/test2/b -> a 656627 0 lrwxrwxrwx 1 harris harris 8 Sep 1 14:37 /home/harris/debug/test2/a -> data.txt 789467 0 lrwxrwxrwx 1 root root 8 Sep 1 18:00 /home/harris/debug/test/soft.link -> old.file 789496 0 lrwxrwxrwx 1 root root 7 Sep 1 18:01 /home/harris/debug/test/soft.link.dir -> old.dir
系统根据磁盘的大小默认设定了 inode 的值，如若必要，可在格式文件系统前对该值进行修改。如键入命令 mkfs -t ext4 -I 512/dev/sda4 ,将使磁盘设备 /dev/sda4 格式成 inode 大小是 512 字节的 ext4文件系统。
// 查看磁盘分区 /dev/sda7 上的 inode 值 # dumpe2fs -h /dev/sda7 | grep "Inode size" dumpe2fs 1.42 (29-Nov-2011) Inode size: 256 # tune2fs -l /dev/sda7 | grep "Inode size" Inode size: 256
Linux VFS
Linux 有着极其丰富的文件系统，大体上可分如下几类：
- 网络文件系统，如 nfs,cifs 等。
- 磁盘文件系统，如 ext4,ext3 等。
- 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）即挂载点，其在内核中为用户空间层的文件系统提供了相关接口。VFS实现了 open(),read() 等系统调用使得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。
VFS 在系统中的架构
Linux VFS 存在四个基本对象：超级块对象（superblock object），索引节点对象（inode object），目录项对象（dentry object）及文件对象（file object）。超级块对象代表一个已安装的文件系统；索引节点对象代表一个文件；目录项对象代表一个目录项，如设备文件 event5 在路径 /dev/input/event5 中，其存在四个目录项对象：/、dev/、input/、event5。文件对象代表由进程打开的文件。这四个对象与进程及磁盘文件建的关系如下图，其中 d_inode 即为硬链接。为文件路径的快速解析，Linux VFS 设计了目录项缓存（Directory EntryCach，即 dcache）。
VFS的对象之间的处理
Linux 文件系统中的 inode
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
VFS 中的 inode 与 inode_operations 结构体
struct inode { ... const struct inode_operations *i_op; // 索引节点操作 unsigned long i_ino; //索引节点号 atomic_t i_count; //引用计数器 unsigned int i_nlink; // 硬链接数码 ... } struct inode_operationis { ... int (*create) (struct inode *, struct dentry *, int struct nameidata *); int (*link) (struct dentry *, struct inode *, struct dentry *); int (*unlink) (struct inode *, struct dentry *); int (*synlink) (struct inode *, struct dentry *, const char *); int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int); int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *); ... }
如上图所见，每个文件存在两个计数器：i_count 与 i_nlink，即引用计数与硬链接计数。结构体 inode 中的 i_count 用于跟踪文件被访问的数量，而 i_nlink 则是上述使用 ls -l 等命令查看到的文件硬链接数。或者说 i_count 跟踪文件在内存中的情况，而 i_nlink 则是磁盘计数器。当文件被删除时，则 i_nlink 先被设置成0，文件的这个两个计数器使得Linux 系统升级或程序更新变得容易。系统或程序可在不关闭的情况下（即文件 i_count 不为 0 ），将新文件已同样的文件名进行替换，新的文件有自己的 inode 及 data block，旧文件会在相关进程关闭后被完整的删除。
文件系统 ext4 中的 inode
struct ext_inode { ... __le32 i_atime; // 文件内容最后一次访问的时间 __le32 i_ctime; // inode修改时间 __le32 i_mtime; // 文件内容最后一次修改时间 __le16 i_links_count; // 硬链接计数 __le32 i_block2_lo; // Block 计数 __le32 i_block[EXT$_N_BLOCKS]; // 指向具体的block ... };
上图展示的是文件系统 ext4 中对 inode 的定义（见内核源码 fs/ext4/ext4.h）。其中三个时间的定义可对应于命令 stat 中看到三个时间。i_links_count 不仅用于文件的硬链接计数，也用于目录数跟踪（目录并不显示硬链接数， 命令 ls -ld 查看到的是子目录数）。由于文件系统 ext3 对i_links_count 有限制，其最大数为：32000（该限制在 ext4 中被取消）。
结束语
本文最初描述了 Linux 系统中文件与目录被引入的原因及 Linux 处理文件的方式，然后我们通过区分硬链接与软链接的不同，了解 Linux 中的索引节点的相关知识，并以此引出了 inode 的结构体。索引节点结构体存在于 Linux VFS 以及实际文件系统中，VFS 作为通用文件模型是 Linux 中 “一切皆是文件” 的实现的基础。文章并未深入 Linux VFS ，也没有涉及实际文件系统的实现，文章只是从 inode 了解 Linux 的文件系统的相关内容。若想深入文件系统的内容，查看内核文档 Documentation/filesystems/。