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Linux 文件系统之 inode小结

发布时间 2023-04-11 22:10:51作者: 红尘过客2022

Linux 文件系统之 inode小结

inode是一个重要概念，是理解Unix/Linux文件系统和硬盘储存的基础。

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"。

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。

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：

[root@VM-12-14-centos 7c5dbd1a2c54c2a078a076259b88057324f53001393e78639a11006f314ab721]# stat config.json
  File: ‘config.json’
  Size: 20475           Blocks: 40         IO Block: 4096   regular file
Device: 14h/20d Inode: 1646062     Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2023-04-11 21:38:22.442527061 +0800
Modify: 2022-11-16 23:52:41.462768172 +0800
Change: 2022-11-16 23:52:41.462768172 +0800
 Birth: -

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。

[root@VM-12-14-centos ~]# df -i -h
Filesystem     Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
devtmpfs         460K   327  459K    1% /dev
tmpfs            462K     7  462K    1% /dev/shm
tmpfs            462K   503  462K    1% /run
tmpfs            462K    16  462K    1% /sys/fs/cgroup
/dev/vda1        3.8M  113K  3.7M    3% /
tmpfs            462K     1  462K    1% /run/user/0
overlay          3.8M  113K  3.7M    3% /var/lib/docker/overlay2/6a8aa1494a621e43ebadc16bf49ef387253862adcdca65e7781f217bc01b2cc9/merged
shm              462K     1  462K    1% /var/lib/docker/containers/bc078dbc21168526a17e223a432f8cd81f3a79468047375388de057d0bb5bf16/mounts/shm
overlay          3.8M  113K  3.7M    3% /var/lib/docker/overlay2/91500d55772ae4a03b5ba68553330d8a5fba0fc8e54f073abb1796f65964851c/merged
shm              462K     1  462K    1% /var/lib/docker/containers/7c5dbd1a2c54c2a078a076259b88057324f53001393e78639a11006f314ab721/mounts/shm
[root@VM-12-14-centos ~]#

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。

这个一定要注意，真实生产出现过这种问题，看磁盘空间不多，因为agent的bug，疯狂创建文件最后inode满了。

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：

[root@VM-12-14-centos tmp]# ls -il
total 12
     36 -rw-r--r-- 1 root root    0 Apr  4 00:51 stargate.lock
 656054 drwx------ 3 root root 4096 Nov 16 00:14 systemd-private-405e53260868456abc0b64a3fe64e1b3-ntpd.service-0V0UnT
1061401 drwxr-xr-x 4 root root 4096 Apr 11 21:25 tat_agent
1061404 drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 11 21:37 test
[root@VM-12-14-centos tmp]# ls -i stargate.lock
36 stargate.lock

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：

[root@VM-12-14-centos tmp]# ls /etc
abrt                     cron.d                   environment  gss               ld.so.conf                modprobe.d         
……

ls -i命令列出整个目录文件，即文件名和inode号码：

　

[root@VM-12-14-centos tmp]# ls -il /etc
total 1524
 263809 drwxr-xr-x.  3 root root     4096 Jan  8  2021 abrt
 271252 drwxr-xr-x.  4 root root     4096 Mar  7  2019 acpi
 263482 -rw-r--r--.  1 root root       16 Mar  7  2019 adjtime
 262571 -rw-r--r--   1 root root     1529 Apr  1  2020 aliases
 275052 -rw-r--r--   1 root root    12288 Sep  2  2020 aliases.db
 262170 drwxr-xr-x.  2 root root     4096 Jul 25  2022 alternatives
 264038 -rw-------   1 root root      541 Aug  9  2019 anacrontab
 271481 -rw-r--r--   1 root root       55 Aug  8  2019 asound.conf
 264594 -rw-r--r--.  1 root root        1 Oct 31  2018 at.deny
 271221 drwxr-x---.  3 root root     4096 Nov  5  2019 audisp

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。

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）。

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

[root@VM-12-14-centos test]# touch file1
[root@VM-12-14-centos test]# touch file2
[root@VM-12-14-centos test]# ln file1 file2
ln: failed to create hard link ‘file2’: File exists
[root@VM-12-14-centos test]# rm -rf file2
[root@VM-12-14-centos test]# ln file1 file2
[root@VM-12-14-centos test]# ll -i
total 0
1061406 -rw-r--r-- 2 root root 0 Apr 11 21:48 file1
1061406 -rw-r--r-- 2 root root 0 Apr 11 21:48 file2
[root@VM-12-14-centos test]#

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）。

[root@VM-12-14-centos test]# ll -ai
total 8
1061404 drwxr-xr-x   2 root root 4096 Apr 11 21:49 .
   8193 drwxrwxrwt. 10 root root 4096 Apr 11 21:48 ..
1061406 -rw-r--r--   2 root root    0 Apr 11 21:48 file1
1061406 -rw-r--r--   2 root root    0 Apr 11 21:48 file2

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

[root@VM-12-14-centos test]# touch f1.txt
[root@VM-12-14-centos test]# ln -s f1.txt f2.txt
[root@VM-12-14-centos test]# ll
total 0
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 11 21:54 f1.txt
lrwxrwxrwx 1 root root 6 Apr 11 21:54 f2.txt -> f1.txt
[root@VM-12-14-centos test]# ll -ai
total 8
1061404 drwxr-xr-x   2 root root 4096 Apr 11 21:54 .
   8193 drwxrwxrwt. 10 root root 4096 Apr 11 21:53 ..
1061406 -rw-r--r--   1 root root    0 Apr 11 21:54 f1.txt
1061407 lrwxrwxrwx   1 root root    6 Apr 11 21:54 f2.txt -> f1.txt
[root@VM-12-14-centos test]#

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。find -inum 1061407 -delete

　　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。