理解inode 以及 软链接和硬链接概念区分

inode简单理解

本文来源自网络文章,并针对文章内容加以批注和修改。希望能帮到你!

关于虚拟文件系统相关的文章,建议参考:

https://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4657851.html

一. 磁盘设备

说到inode,首先必须要提及下《操作系统》中磁盘存储器的管理一节。磁盘设备是一种相当复杂的机电设备(比较详细的介绍可以参考blog硬盘内部硬件结构和工作原理详解 )。 磁盘设备可以包括一个或多个物理盘片,每个磁盘片分一个或两个存储面(如图(a)所示)。每个磁盘面被组织成若干个同心环,这种环称为磁道track,各磁道之间留有必要的间隙。每条磁道又被逻辑上划分成若干个扇区sectors(批注:stat 命令中的Blocks项)。在不同扇区之间又保留必要的间隔, 图(b)中显示了显示了一个有3个磁道,每个磁道又被分成 8 个扇区的磁盘片的一个存储面。

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在操作系统中,信息一般以扇区(sectors)的形式存储在硬盘上,而每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息(即一个扇区包括两个主要部分:存储数据地点的标识符和存储数据的数据段)。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(blocks)(批注:stat 命令中 IO Block 项。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 sectors组成一个 blocks。(批注:这里的块是linux 系统一次读取的粒度,linux 中一次读取8个扇区)

二. inode的内容

既然文件数据都储存在”块”中,那么对于操作系统而言,必须采用一种方式来找到这个存储文件数据的“块”,为此操作系统便引入了一个非常重要的概念”inode”,中文名为“索引结点” 。既然引进inode的目的是为了找到“块”,那么inode中必然包括像文件数据block位置这么重要的信息,当然也不仅仅包括这么一个信息,还包括比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。具体可以输入stat指令查看某个文件的inode信息,这里以example.txt为例。

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这里便可以看到inode信息主要包括:

  • 文件的字节数,块数
  • 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
  • inode编号

Stat 命令补充:

我们重新创建一个ex.txt 文件,并输入一些字符。

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这就会产生一些疑问?(下面是阮一峰博客下面的一个问题)

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所以这里解答一下:通常的 Linux 块大小为 512 字节,一次读取通常读取的块数为8个块(扇区),所以 这里 IO-Blocks为 4096(4k),表示一次读取8个扇区,这样可以提高效率。这里的512就是磁盘上一个扇区的大小。

查看扇区大小:

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测试:如果我们输入4096个字符,应该还是8个块,如果输入4097个字符,那么应该是16快。结果如下所示:

我们使用如下代码生成4096大小的文件:

#!/bin/sh
for i in {..}
do
echo 'o' >> ex.txt
done

结果:

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证明!

三. inode的大小

前面已经提到inode中包括关于某个文件的索引信息,那么其中必然会存储部分数据,在计算机中必然会占据一定的空间,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命令查看。

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查看每个inode节点的大小,可以用如下命令:

sudo dumpe2fs -h /dev/sda9 | grep “Inode size”

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由于每个文件都必须有一个inode,因此有可能会发生磁盘空间未满而inode已经用完导致不能存入文件的情况。

四. inode编号

在Unix/Linux操作系统中,系统内部并不采用文件名查找文件,而是使用inode编号来识别文件。因此对于系统来说,文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。而站在用户角度,用户通过文件名,打开文件,实际上,系统内部是获取inode信息找到数据块的,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。

注:可以使用df -i或者ls -i均可以查看到文件名对应的inode号码。 
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五. 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。 
对于目录文件而言,其读权限(r)和写权限(w)并不难理解,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,这主要是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)。

六. 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)。可以使用ln指令添加硬链接。

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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)。

七.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。

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八、inode的特殊作用

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。
  • 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。

最后一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。


参考链接:
1. 硬盘内部硬件结构和工作原理详解

2. 理解inode

3. https://blog.csdn.net/u013595419/article/details/51094360/

4. https://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4657851.html


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