一、儲存裝置分割槽簡述

檔案系統最終目的是把大量資料有組織的放入永續性的儲存裝置，如硬碟。硬碟儲存能力具有永續性，不會因為斷電而消失，儲存量大，但讀取速度慢。作業系統讀取硬碟的時候，不會一個一個扇區讀取，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”。這種由扇區組成的塊，是檔案存取的最小單位，塊最常見的是4KB，即連續的8個sector組成一個block。檔案資料都儲存在塊中，那麼顯然必須找到一個地方儲存檔案的元資訊，比如檔案的建立者、建立日期、檔案大小等等。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”。

硬碟最開始的區域是MBR，用於Linux開機啟動。剩餘空間可分成若干分割槽。每個分割槽有一個相關的分割槽表，記錄分割槽的相關資訊，這個分割槽表是儲存在分割槽之外的，分割槽表說明了對應分割槽的起始位置和分割槽的大小。


一個典型的Linux分割槽包含有下面各個部分：

1、分割槽的第一個部分是啟動分割槽(Boot Block)，它主要是為計算機開機服務的。Linux開機啟動後，會首先載入MBR，隨後MBR從某個硬碟的啟動區載入程式。該程式負責進一步的作業系統的載入和啟動。為了方便管理，即使某個分割槽中沒有安裝作業系統，Linux也會在該分割槽預留啟動區。
2、啟動區之後的是超級區，它儲存有檔案系統的相關資訊，包括檔案系統的型別，inode的數目，資料塊的數目；貌似一個inode點陣圖和block點陣圖，用一些空間的二進位制來表示inode和block的使用情況，1表示使用過，0表示未使用，快速定位，具體怎麼儲存不知道。
3、隨後是多個inodes，它們是實現檔案儲存的關鍵。在Linux系統中，一個檔案可以分成幾個資料塊儲存，每個檔案對應一個inode，這個inode中包含多個指標，指向屬於該檔案的各個資料塊。當作業系統需要讀取檔案時，就根據inode指向的資料塊進行讀取。
4、最後一部分，就是真正儲存資料的資料塊了。

二、iNode節點

在Linux檔案管理中，檔案除了自身資料之外，還有附屬資訊，即檔案的元資料；這個元資料用於記錄檔案的許多資訊，比如檔案大小，屬主，屬組，修改日期等等。元資料並不包含在檔案資料中，由系統維護，也就是包含在inode中。每個inode有一個唯一的整數編號表示(inode number)。

三、inode的內容

inode包含檔案的元資訊，具體來說具有以下內容：
**檔案的位元組數
**檔案擁有者的UID
**檔案的組ID
**檔案的讀、寫、執行許可權
**檔案的時間戳，共有三個：ctime指inode建立時間，mtime檔案內容上一次修改時間，atime指檔案最後一次訪問的時間。
**連結數，即有多少個檔名指向這個inode
**檔案資料塊block的位置
可以使用stat命令，檢視某個檔案的inode資訊：stat example.txt
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。

四、inode大小

inode也會消耗硬碟空間，所以硬碟格式化的時候，系統自動將硬碟分成2個區域；一個是資料區，存放檔案資料，另一個是inode區，存放inode所包含的資訊。每個inode節點大小一般是128位元組。inode節點的總數，在格式化時就給定，一般是每1KB或2KB就設定一個inode，此數值不確實是不是正確。
檢視每個硬碟分割槽的inode總數和已使用的數量，可以使用df命令：df –i
檢視每個inode節點的大小，可以用如下命令：dumpe2fs –h /dev/hda | grep “Inode size”
由於每個檔案都必須有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。

五、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。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綽號。表面上使用者通過檔名開啟檔案，實際上系統內部過程分三步：首先系統找到這個檔名對應的inode號碼；其次通過inode號獲取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：
ls –i example.txt

六、目錄檔案

Linux系統中，目錄也是一種檔案。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，就是一系列目錄項的列表。每個目錄項由2部分組成：所包含檔案的檔名和檔案對應的inode號碼。
ls命令只能列出目錄檔案中的所有檔名：ls /etc/
-i可以列出整個目錄檔案，即檔名和inode號碼：ls –i /etc
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。

舉例：檔案系統查詢檔案/var/log/message的過程
首先確定/目錄檔案的資料塊，事實上/目錄是由系統決定在哪裡儲存的，我們不用關心太多；讀取/目錄檔案，找到var的檔名，找到對應的inode號，根據var的inode號查詢到inode節點，從inode節點中讀取var的block，得知var是個目錄檔案；開啟var目錄檔案，查詢到名稱為log的檔名，找出log對應的inode號，查詢inode對應的inode節點，通過inode節點找到log的block，讀取log的block，發現log是個目錄檔案；開啟log目錄檔案，查詢到名稱message檔名，找出message對應的inode號，查詢inode對應的inode節點，通過inode節點找到message的block，即找到了message檔案；由此可以看到作業系統經過了哪些曲折的步驟。

七、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

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。刪除一個檔案本質上就是去刪除這個檔案的硬連結。

順便說一下目錄檔案的連結數。目錄檔案是不可以通過ln命令來建立硬連結的，但是目錄檔案本身卻有硬連結，且至少2個硬連結數。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）,這裡的2是原目錄對其的“硬連結”和當前目錄下的".硬連結“。

八、軟連線

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。建立軟連線時會增加一個inode節點，而硬連結不會。

其它區別：
軟連線可以連線目錄，而硬連結不可以連結目錄。
軟連線可以跨分割槽進行連結，而硬連結不可以跨分割槽，更不可以跨磁碟作連結，這是由於硬連結的inode號是針對分割槽來說的，inode在分割槽裡才有實際意義。

九、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：find . -inum 69905165 -exec rm -i {} \;
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。

十、實際問題

在一臺配置較低的Linux伺服器（記憶體、硬碟比較小）的/data分割槽內建立檔案時，系統提示磁碟空間不足，用df -h命令查看了一下磁碟使用情況，發現/data分割槽只使用了66%，還有12G的剩餘空間，按理說不會出現這種問題。 後來用df -i查看了一下/data分割槽的索引節點(inode)，發現已經用滿(IUsed=100%)，導致系統無法建立新目錄和檔案。

查詢原因：
/data/cache目錄中存在數量非常多的小位元組快取檔案，佔用的Block不多，但是佔用了大量的inode。

解決方案：
1、刪除/data/cache目錄中的部分檔案，釋放出/data分割槽的一部分inode。
2、用軟連線將空閒分割槽/opt中的newcache目錄連線到/data/cache，使用/opt分割槽的inode來緩解/data分割槽inode不足的問題：ln -s /opt/newcache /data/cache

十一、檔案共享

在Linux的程序中，當我們開啟一個檔案時，返回的是一個檔案描述符。這個檔案描述符是一個數組的下標，對應陣列元素為一個指標。有趣的是，這個指標並沒有直接指向檔案的inode，而是指向了一個檔案表格，再通過該表格，指向載入到記憶體中的目標檔案的inode。如下圖，一個程序打開了兩個檔案。

 

可以看到，每個檔案表格中記錄了檔案開啟的狀態(status flags)，比如只讀，寫入等，還記錄了每個檔案的當前讀寫位置(offset)。當有兩個程序開啟同一個檔案時，可以有兩個檔案表格，每個檔案表格對應的開啟狀態和當前位置不同，從而支援一些檔案共享的操作，比如同時讀取。要注意的是程序fork之後的情況，子程序將只複製檔案描述符的陣列，而和父程序共享核心維護的檔案表格和inode。此時要特別小心程式的編寫