inode是一個重要概念,是理解Unix/Linux檔案系統和硬碟儲存的基礎。

我覺得,理解inode,不僅有助於提高系統操作水平,還有助於體會Unix設計哲學,即如何把底層的複雜性抽象成一個簡單概念,從而大大簡化使用者介面。

下面就是我的inode學習筆記,儘量保持簡單。

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理解inode

一、 inode是什麼?

理解inode,要從檔案儲存說起。

檔案儲存在硬碟上,硬碟的最小儲存單位叫做”扇區”(Sector)。每個扇區儲存512位元組(相當於0.5KB)。

作業系統讀取硬碟的時候,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”,是檔案存取的最小單位。”塊”的大小,最常見的是4KB,即連續八個 sector組成一個 block。

檔案資料都儲存在”塊”中,那麼很顯然,我們還必須找到一個地方儲存檔案的元資訊,比如檔案的建立者、檔案的建立日期、檔案的大小等等。這種儲存檔案元資訊的區域就叫做inode,中文譯名為”索引節點”。

每一個檔案都有對應的inode,裡面包含了與該檔案有關的一些資訊。

二、inode的內容

inode包含檔案的元資訊,具體來說有以下內容:

  • 檔案的位元組數
     
  • 檔案擁有者的User ID
     
  • 檔案的Group ID
     
  • 檔案的讀、寫、執行許可權
     
  • 檔案的時間戳,共有三個:ctime指inode上一次變動的時間,mtime指檔案內容上一次變動的時間,atime指檔案上一次開啟的時間。
     
  • 連結數,即有多少檔名指向這個inode
     
  • 檔案資料block的位置

可以用stat命令,檢視某個檔案的inode資訊:

stat example.txt

這裡寫圖片描述

總之,除了檔名以外的所有檔案資訊,都存在inode之中。至於為什麼沒有檔名,下文會有詳細解釋。

三、inode的大小

inode也會消耗硬碟空間,所以硬碟格式化的時候,作業系統自動將硬碟分成兩個區域。一個是資料區,存放檔案資料;另一個是inode區(inode table),存放inode所包含的資訊。

每個inode節點的大小,一般是128位元組或256位元組。inode節點的總數,在格式化時就給定,一般是每1KB或每2KB就設定一個inode。假定在一塊1GB的硬碟中,每個inode節點的大小為128位元組,每1KB就設定一個inode,那麼inode table的大小就會達到128MB,佔整塊硬碟的12.8%。

檢視每個硬碟分割槽的inode總數和已經使用的數量,可以使用df命令。

df -i

這裡寫圖片描述

檢視每個inode節點的大小,可以用如下命令:

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

這裡寫圖片描述

由於每個檔案都必須有一個inode,因此有可能發生inode已經用光,但是硬碟還未存滿的情況。這時,就無法在硬碟上建立新檔案。

四、inode號碼

每個inode都有一個號碼,作業系統用inode號碼來識別不同的檔案。

這裡值得重複一遍,Unix/Linux系統內部不使用檔名,而使用inode號碼來識別檔案。對於系統來說,檔名只是inode號碼便於識別的別稱或者綽號。

表面上,使用者通過檔名,開啟檔案。實際上,系統內部這個過程分成三步:首先,系統找到這個檔名對應的inode號碼;其次,通過inode號碼,獲取inode資訊;最後,根據inode資訊,找到檔案資料所在的block,讀出資料。

使用ls -i命令,可以看到檔名對應的inode號碼:

ls -i example.txt

這裡寫圖片描述

五、目錄檔案

Unix/Linux系統中,目錄(directory)也是一種檔案。開啟目錄,實際上就是開啟目錄檔案。

目錄檔案的結構非常簡單,就是一系列目錄項(dirent)的列表。每個目錄項,由兩部分組成:所包含檔案的檔名,以及該檔名對應的inode號碼。

ls命令只列出目錄檔案中的所有檔名:

ls /etc

這裡寫圖片描述

ls -i命令列出整個目錄檔案,即檔名和inode號碼:

ls -i /etc

這裡寫圖片描述

如果要檢視檔案的詳細資訊,就必須根據inode號碼,訪問inode節點,讀取資訊。ls -l命令列出檔案的詳細資訊。

ls -l /etc

這裡寫圖片描述

理解了上面這些知識,就能理解目錄的許可權。目錄檔案的讀許可權(r)和寫許可權(w),都是針對目錄檔案本身。由於目錄檔案內只有檔名和inode號碼,所以如果只有讀許可權,只能獲取檔名,無法獲取其他資訊,因為其他資訊都儲存在inode節點中,而讀取inode節點內的資訊需要目錄檔案的執行許可權(x)。

六、硬連結

一般情況下,檔名和inode號碼是”一一對應”關係,每個inode號碼對應一個檔名。但是,Unix/Linux系統允許,多個檔名指向同一個inode號碼。

這意味著,可以用不同的檔名訪問同樣的內容;對檔案內容進行修改,會影響到所有檔名;但是,刪除一個檔名,不影響另一個檔名的訪問。這種情況就被稱為”硬連結”(hard link)。

ln命令可以建立硬連結:

ln 原始檔 目標檔案

這裡寫圖片描述

執行上面這條命令以後,原始檔與目標檔案的inode號碼相同,都指向同一個inode。inode資訊中有一項叫做”連結數”,記錄指向該inode的檔名總數,這時就會增加1。

反過來,刪除一個檔名,就會使得inode節點中的”連結數”減1。當這個值減到0,表明沒有檔名指向這個inode,系統就會回收這個inode號碼,以及其所對應block區域。

這裡順便說一下目錄檔案的”連結數”。建立目錄時,預設會生成兩個目錄項:”.”和”..”。前者的inode號碼就是當前目錄的inode號碼,等同於當前目錄的”硬連結”;後者的inode號碼就是當前目錄的父目錄的inode號碼,等同於父目錄的”硬連結”。所以,任何一個目錄的”硬連結”總數,總是等於2加上它的子目錄總數(含隱藏目錄)。

七、軟連結

除了硬連結以外,還有一種特殊情況。

檔案A和檔案B的inode號碼雖然不一樣,但是檔案A的內容是檔案B的路徑。讀取檔案A時,系統會自動將訪問者導向檔案B。因此,無論開啟哪一個檔案,最終讀取的都是檔案B。這時,檔案A就稱為檔案B的”軟連結”(soft link)或者”符號連結(symbolic link)。

這意味著,檔案A依賴於檔案B而存在,如果刪除了檔案B,開啟檔案A就會報錯:”No such file or directory”。這是軟連結與硬連結最大的不同:檔案A指向檔案B的檔名,而不是檔案B的inode號碼,檔案B的inode”連結數”不會因此發生變化。

ln -s命令可以建立軟連結。

ln -s 源文檔案或目錄 目標檔案或目錄

這裡寫圖片描述

八、inode的特殊作用

由於inode號碼與檔名分離,這種機制導致了一些Unix/Linux系統特有的現象。

  1. 有時,檔名包含特殊字元,無法正常刪除。這時,直接刪除inode節點,就能起到刪除檔案的作用。

  2. 移動檔案或重新命名檔案,只是改變檔名,不影響inode號碼。

  3. 開啟一個檔案以後,系統就以inode號碼來識別這個檔案,不再考慮檔名。因此,通常來說,系統無法從inode號碼得知檔名。

第3點使得軟體更新變得簡單,可以在不關閉軟體的情況下進行更新,不需要重啟。因為系統通過inode號碼,識別執行中的檔案,不通過檔名。更新的時候,新版檔案以同樣的檔名,生成一個新的inode,不會影響到執行中的檔案。等到下一次執行這個軟體的時候,檔名就自動指向新版檔案,舊版檔案的inode則被回收。

(完)

 
 
 

原文地址:理解inode——阮一峰的網路日誌