理解Inode

我覺得，理解inode，不僅有助于提高系統操作水平，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”（Sector）。每個扇區儲存512字節（相當于0.5KB）。

操作系統讀取硬盤的時候，不會一個個扇區地讀取，這樣效率太低，而是一次性連續讀取多個扇區，即一次性讀取一個”塊”（block）。這種由多個扇區組成的”塊”，是文件存取的最小單位。”塊”的大小，最常見的是4KB，即連續八個 sector組成一個 block。

文件數據都儲存在”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，比如文件的創建者、文件的創建日期、文件的大小等等。這種儲存文件元信息的區域就叫做inode，中文譯名為”索引節點”。

每一個文件對應一個inode，硬盤上有多少文件，就有多少個inode。

二、inode的內容

inode包含文件的元信息，具體來說有以下內容：

* 文件的字節數

* 文件擁有者的User ID

* 文件的Group ID

* 文件的讀、寫、執行權限

* 文件的時間戳，共有三個：ctime指inode上一次變動的時間，mtime指文件內容上一次變動的時間，atime指文件上一次打開的時間。

* 鏈接數，即有多少文件名指向這個inode

* 文件數據block的位置

可以用stat命令，查看某個文件的inode信息：

stat example.txt

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，操作系統自動將硬盤分成兩個區域。一個是數據區，存放文件數據；另一個是inode區（inode table），存放inode所包含的信息。

每個inode節點的大小，一般是128字節或256字節。inode節點的總數，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節點的大小為128字節，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%。

查看每個硬盤分區的inode總數和已經使用的數量，可以使用df命令。

df -i

查看每個inode節點的大小，可以用如下命令：

sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep “Inode size”

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

四、inode號碼

每個inode都有一個號碼，操作系統用inode號碼來識別不同的文件。

這里值得重復一遍，Unix/Linux系統內部不使用文件名，而使用inode號碼來識別文件。對于系統來說，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，系統內部這個過程分成三步：首先，系統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inode信息，找到文件數據所在的block，讀出數據。

使用ls -i命令，可以看到文件名對應的inode號碼：

ls -i example.txt

五、目錄文件

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

目錄文件的結構非常簡單，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：

ls /etc

ls -i命令列出整個目錄文件，即文件名和inode號碼：

ls -i /etc

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

ls -l /etc

六、硬鏈接

一般情況下，文件名和inode號碼是”一一對應”關系，每個inode號碼對應一個文件名。但是，Unix/Linux系統允許，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容；對文件內容進行修改，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命令可以創建硬鏈接：

ln 源文件 目標文件

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”，記錄指向該inode的文件名總數，這時就會增加1。

反過來，刪除一個文件名，就會使得inode節點中的”鏈接數”減1。當這個值減到0，表明沒有文件名指向這個inode，系統就會回收這個inode號碼，以及其所對應block區域。

這里順便說一下目錄文件的”鏈接數”。創建目錄時，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，總是等于2加上它的子目錄總數（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的內容是文件B的路徑。讀取文件A時，系統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”不會因此發生變化。

ln -s命令可以創建軟鏈接。

ln -s 源文文件或目錄 目標文件或目錄

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系統特有的現象。

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，可以在不關閉軟件的情況下進行更新，不需要重啟。因為系統通過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）

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