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.
理解 inode,不仅有助于提高系统操作水平,还有助于体会 Unix 设计哲学,即如何把底层的复杂性抽象成一个简单概念,从而大大简化用户接口。
1. 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。
2. inode 的内容
* 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
2.1 查看文件inode 信息
$ stat may22-iostat.out
File: may22-iostat.out
Size: 18640 Blocks: 48 IO Block: 4096 regular file
Device: 10306h/66310d Inode: 7765021 Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--) Uid: ( 1000/respecting-god) Gid: ( 1000/respecting-god)
Access: 2022-05-24 17:51:58.026858864 +0800
Modify: 2022-05-22 11:53:24.382686093 +0800
Change: 2022-05-22 11:53:24.382686093 +0800
Birth: -
3. indoe
3.1 inode节点的大小
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
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。
3.2 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:
$ ls -i may22-iostat.out
7765021 may22-iostat.out
4. 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
ls -i
命令列出整个目录文件,即文件名和inode号码:
ls
cache.db clash Clash_1651844820.yaml config.yaml Country.mmdb log14 may22-iostat.out
respecting-god@Lenovo-Legion:~/Clash$ ls -i
7734029 cache.db 7734716 clash 7733966 Clash_1651844820.yaml 7736638 config.yaml 7736255 Country.mmdb 7733813 log14 7765021 may22-iostat.out
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 clash
-rwxr-xr-x 1 respecting-god respecting-god 8998912 5月 7 21:21 clash
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)。
5. 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
$ ln clash links
respecting-god@Lenovo-Legion:~/Clash$ ls -li
total 21488
7734029 -rwxr-xr-x 1 root root 16384 5月 14 10:15 cache.db
7734716 -rwxr-xr-x 2 respecting-god respecting-god 8998912 5月 7 21:21 clash
7733966 -rw-r--r-- 1 respecting-god respecting-god 39510 5月 14 10:05 Clash_1651844820.yaml
7736638 -rw-r--r-- 1 respecting-god respecting-god 39510 5月 14 10:05 config.yaml
7736255 -rwxrwxr-x 1 respecting-god respecting-god 3878104 10月 9 2020 Country.mmdb
7748096 -rw-rw-r-- 1 respecting-god respecting-god 0 5月 24 18:22 link1
7734716 -rwxr-xr-x 2 respecting-god respecting-god 8998912 5月 7 21:21 links
7733813 -rw-rw-r-- 1 respecting-god respecting-god 569 5月 14 10:25 log14
7765021 -rw-rw-r-- 1 respecting-god respecting-god 18640 5月 22 11:53 may22-iostat.out
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)。
3. 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
h$ ls -li
total 21488
7734029 -rwxr-xr-x 1 root root 16384 5月 14 10:15 cache.db
7734716 -rwxr-xr-x 2 respecting-god respecting-god 8998912 5月 7 21:21 clash
7733966 -rw-r--r-- 1 respecting-god respecting-god 39510 5月 14 10:05 Clash_1651844820.yaml
7736638 -rw-r--r-- 1 respecting-god respecting-god 39510 5月 14 10:05 config.yaml
7736255 -rwxrwxr-x 1 respecting-god respecting-god 3878104 10月 9 2020 Country.mmdb
7748096 -rw-rw-r-- 1 respecting-god respecting-god 0 5月 24 18:22 link1
7734716 -rwxr-xr-x 2 respecting-god respecting-god 8998912 5月 7 21:21 links
7733813 -rw-rw-r-- 1 respecting-god respecting-god 569 5月 14 10:25 log14
7765021 -rw-rw-r-- 1 respecting-god respecting-god 18640 5月 22 11:53 may22-iostat.out
7767687 lrwxrwxrwx 1 respecting-god respecting-god 5 5月 24 18:26 softlink2 -> clash
7. inode 的其余作用
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。
-
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。
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移动文件或重命名文件,只是改变文件名,不影响inode号码。
-
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。