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inode是理解Unix/Linux文件系統(tǒng)和硬盤儲存的基礎

Linux閱碼場 ? 來源:Linuxer ? 作者:Linuxer ? 2021-04-04 17:15 ? 次閱讀

inode是一個重要概念,是理解Unix/Linux文件系統(tǒng)和硬盤儲存的基礎。

我覺得,理解inode,不僅有助于提高系統(tǒng)操作水平,還有助于體會Unix設計哲學,即如何把底層的復雜性抽象成一個簡單概念,從而大大簡化用戶接口。

下面就是我的inode學習筆記,盡量保持簡單。

一、inode是什么?

理解inode,要從文件儲存說起。

文件儲存在硬盤上,硬盤的最小存儲單位叫做"扇區(qū)"(Sector)。每個扇區(qū)儲存512字節(jié)(相當于0.5KB)。

操作系統(tǒng)讀取硬盤的時候,不會一個個扇區(qū)地讀取,這樣效率太低,而是一次性連續(xù)讀取多個扇區(qū),即一次性讀取一個"塊"(block)。這種由多個扇區(qū)組成的"塊",是文件存取的最小單位。"塊"的大小,最常見的是4KB,即連續(xù)八個 sector組成一個 block。

文件數(shù)據(jù)都儲存在"塊"中,那么很顯然,我們還必須找到一個地方儲存文件的元信息,比如文件的創(chuàng)建者、文件的創(chuàng)建日期、文件的大小等等。這種儲存文件元信息的區(qū)域就叫做inode,中文譯名為"索引節(jié)點"。

每一個文件都有對應的inode,里面包含了與該文件有關(guān)的一些信息。

二、inode的內(nèi)容

inode包含文件的元信息,具體來說有以下內(nèi)容:

f76c53dc-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

可以用stat命令,查看某個文件的inode信息:

f7b0a9b0-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

總之,除了文件名以外的所有文件信息,都存在inode之中。至于為什么沒有文件名,下文會有詳細解釋。

三、inode的大小

inode也會消耗硬盤空間,所以硬盤格式化的時候,操作系統(tǒng)自動將硬盤分成兩個區(qū)域。一個是數(shù)據(jù)區(qū),存放文件數(shù)據(jù);另一個是inode區(qū)(inode table),存放inode所包含的信息。

每個inode節(jié)點的大小,一般是128字節(jié)或256字節(jié)。inode節(jié)點的總數(shù),在格式化時就給定,一般是每1KB或每2KB就設置一個inode。假定在一塊1GB的硬盤中,每個inode節(jié)點的大小為128字節(jié),每1KB就設置一個inode,那么inode table的大小就會達到128MB,占整塊硬盤的12.8%。

查看每個硬盤分區(qū)的inode總數(shù)和已經(jīng)使用的數(shù)量,可以使用df命令。

f7edb224-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

由于每個文件都必須有一個inode,因此有可能發(fā)生inode已經(jīng)用光,但是硬盤還未存滿的情況。這時,就無法在硬盤上創(chuàng)建新文件。

四、inode號碼

每個inode都有一個號碼,操作系統(tǒng)用inode號碼來識別不同的文件。

這里值得重復一遍,Unix/Linux系統(tǒng)內(nèi)部不使用文件名,而使用inode號碼來識別文件。對于系統(tǒng)來說,文件名只是inode號碼便于識別的別稱或者綽號。

表面上,用戶通過文件名,打開文件。實際上,系統(tǒng)內(nèi)部這個過程分成三步:首先,系統(tǒng)找到這個文件名對應的inode號碼;其次,通過inode號碼,獲取inode信息;最后,根據(jù)inode信息,找到文件數(shù)據(jù)所在的block,讀出數(shù)據(jù)。

使用ls -i命令,可以看到文件名對應的inode號碼:

f89c6d28-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

五、目錄文件

Unix/Linux系統(tǒng)中,目錄(directory)也是一種文件。打開目錄,實際上就是打開目錄文件。

目錄文件的結(jié)構(gòu)非常簡單,就是一系列目錄項(dirent)的列表。每個目錄項,由兩部分組成:所包含文件的文件名,以及該文件名對應的inode號碼。

ls命令只列出目錄文件中的所有文件名:

f8d6ce5a-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

如果要查看文件的詳細信息,就必須根據(jù)inode號碼,訪問inode節(jié)點,讀取信息。ls -l命令列出文件的詳細信息。

f9037478-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

理解了上面這些知識,就能理解目錄的權(quán)限。目錄文件的讀權(quán)限(r)和寫權(quán)限(w),都是針對目錄文件本身。由于目錄文件內(nèi)只有文件名和inode號碼,所以如果只有讀權(quán)限,只能獲取文件名,無法獲取其他信息,因為其他信息都儲存在inode節(jié)點中,而讀取inode節(jié)點內(nèi)的信息需要目錄文件的執(zhí)行權(quán)限(x)。

六、硬鏈接

一般情況下,文件名和inode號碼是"一一對應"關(guān)系,每個inode號碼對應一個文件名。但是,Unix/Linux系統(tǒng)允許,多個文件名指向同一個inode號碼。

這意味著,可以用不同的文件名訪問同樣的內(nèi)容;對文件內(nèi)容進行修改,會影響到所有文件名;但是,刪除一個文件名,不影響另一個文件名的訪問。這種情況就被稱為"硬鏈接"(hard link)。

ln命令可以創(chuàng)建硬鏈接:

f926d602-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

運行上面這條命令以后,源文件與目標文件的inode號碼相同,都指向同一個inode。inode信息中有一項叫做"鏈接數(shù)",記錄指向該inode的文件名總數(shù),這時就會增加1。

反過來,刪除一個文件名,就會使得inode節(jié)點中的"鏈接數(shù)"減1。當這個值減到0,表明沒有文件名指向這個inode,系統(tǒng)就會回收這個inode號碼,以及其所對應block區(qū)域。

這里順便說一下目錄文件的"鏈接數(shù)"。創(chuàng)建目錄時,默認會生成兩個目錄項:"."和".."。前者的inode號碼就是當前目錄的inode號碼,等同于當前目錄的"硬鏈接";后者的inode號碼就是當前目錄的父目錄的inode號碼,等同于父目錄的"硬鏈接"。所以,任何一個目錄的"硬鏈接"總數(shù),總是等于2加上它的子目錄總數(shù)(含隱藏目錄)。

七、軟鏈接

除了硬鏈接以外,還有一種特殊情況。

文件A和文件B的inode號碼雖然不一樣,但是文件A的內(nèi)容是文件B的路徑。讀取文件A時,系統(tǒng)會自動將訪問者導向文件B。因此,無論打開哪一個文件,最終讀取的都是文件B。這時,文件A就稱為文件B的"軟鏈接"(soft link)或者"符號鏈接(symbolic link)。

這意味著,文件A依賴于文件B而存在,如果刪除了文件B,打開文件A就會報錯:"No such file or directory"。這是軟鏈接與硬鏈接最大的不同:文件A指向文件B的文件名,而不是文件B的inode號碼,文件B的inode"鏈接數(shù)"不會因此發(fā)生變化。

ln -s命令可以創(chuàng)建軟鏈接。

f95b3514-8cdd-11eb-8b86-12bb97331649.png

八、inode的特殊作用

由于inode號碼與文件名分離,這種機制導致了一些Unix/Linux系統(tǒng)特有的現(xiàn)象。

1. 有時,文件名包含特殊字符,無法正常刪除。這時,直接刪除inode節(jié)點,就能起到刪除文件的作用。

2. 移動文件或重命名文件,只是改變文件名,不影響inode號碼。

3. 打開一個文件以后,系統(tǒng)就以inode號碼來識別這個文件,不再考慮文件名。因此,通常來說,系統(tǒng)無法從inode號碼得知文件名。

第3點使得軟件更新變得簡單,可以在不關(guān)閉軟件的情況下進行更新,不需要重啟。因為系統(tǒng)通過inode號碼,識別運行中的文件,不通過文件名。更新的時候,新版文件以同樣的文件名,生成一個新的inode,不會影響到運行中的文件。等到下一次運行這個軟件的時候,文件名就自動指向新版文件,舊版文件的inode則被回收。

(完)

原文標題:理解inode

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責任編輯:haq

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