磁盘扇区、IO块、inode、文件、目录、硬链接与软链接到底是啥？

Posted 2023-03-09

参考技术A 磁盘扇区、IO块、inode、文件、目录、硬链接与软链接到底是什么？
自己理解了一下，记录一下备忘。

1、扇区
扇区是磁盘盘片上的一个物理划分，是真真实实存在看得见摸得着的东西。
我们先来看看如何查看一个磁盘的一些信息，可以使用fdisk -l命令查看。我这里有多块盘，但我只截图了一个在这里展示，如图所示，我截取的这块盘为/dev/sda。

看红框所示，Unit是单元的意思，sector是扇区的意思。即磁盘的存储单元是扇区。
从图中第一行还可以看到这块盘的大小为599.6G，总共有1171062784个扇区。
从第二行可以看到每个扇区的大小为512bytes。
从第三行可以看到扇区的逻辑大小为512bytes，物理大小为512bytes。

从上图的帮助文档来看，扇区的逻辑大小可以修改，最小为512bytes，最大为4096bytes。（不同的系统，扇区的大小不一样）

除了扇区，磁盘还有哪些物理部件？

2、IO块（磁盘块）
我们平时常说磁盘块，可能会以为它是磁盘的一个物理分区，其实不是的。
扇区是磁盘存储的最小单元。往大了说，还有磁道、盘片等。
那既然磁盘块不是磁盘的物理分区，那么它是啥呀？
我们或许都有这样一个常识认知，就是磁盘的IO速率是非常慢的，如果在读取数据的时候，先读取了一个扇区的数据，发送给上层应用后，又返回来读下一个扇区，再发送给上层应用，如此循环反复，上层应用需要与磁盘进行多次交互，这就很浪费时间了；
所以就引入了磁盘块这么一个概念，它在逻辑层面将多个连续的扇区当作一个整体，然后在读取数据的时候以逻辑层面上的磁盘块为单位，将磁盘块所包含的扇区的数据都一次性读出来发给上层应用。
所以我们要区分开扇区、磁盘块这些概念所对应的对象是不同的：
扇区对应的是硬件层面，它是磁盘面的区域划分，是一个真真实实存在的物理部件；
而磁盘块对应的是软件层面，它在逻辑层面将多个连续的扇区当作一个整体。

比如磁盘扇区大小一般为512字节，而块大小一般为4096字节，那么每一个块就记录着连续的8个扇区；数据不是存在块里的，而是存储在扇区，而块记录哪些扇区是属于自己的。

如何查看一个IO块的大小：
1）在root用户下，执行tune2fs -l /dev/sda | grep "Block Size"

3、inode
每个文件都有数据以及元数据，数据就是文件内容了，它存储在磁盘的数据区；
而文件元数据包括下图这些项：
文件大小、文件块信息、一个块的大小、文件类型（普通文件、目录还是符号链接）、设备号、索引节点编号、硬链接数、文件的访问时间、文件内容的修改时间、文件属性的修改时间

每个文件都会对应一个inode，而每个inode都有唯一一个编号，如何查看文件的inode编号呢？
1）可以使用stat filename来查看
2）或者切换到文件所在目录后，使用ll -i命令来查看，得到的结果中第一列即为文件的inode编号。

我们刚才说到每个索引节点（inode）都有一个唯一的编号，这个编号在每个磁盘上都是有限的，当inode编号分配完了之后，就不能再创建新文件了；
因为文件都需要对应一个唯一的inode，而每个inode又需要对应唯一的编号，而编号又是有限的，所以当分配完了之后，就没法创建inode了，也就没法创建文件了。

有时候可能会发现这样的现象：就是我们想要创建一个新文件，但是发现创建不了了。
于是我们需要排查问题，怎么排查呢？
首先我们先看下是不是磁盘写满了，使用df -hl查看磁盘的使用率，如果达到了100%，那说明盘写满了，我们需要删除些东西以释放存储空间；
但是如果我们查看了磁盘使用率之后，发现不是磁盘满了，磁盘还有很多空闲的空间，那该怎么办？
可以联想到我们上面说过的，看下inode编号是不是用完了，即看下inode编号的使用率？
可以使用df -i来看下磁盘inode编号的使用率，如果发现是inode编号的使用率达到了100%了，那还是得删除些文件以释放占用的inode编号。

会不会有人有疑问？为什么磁盘空间还有这么多，inode编号就用完了？
这大概率是创建的小文件太多了，你想啊，每个文件都要对应一个inode编号，inode编号是有限的，虽然磁盘空间也有限，但是如果文件系统中是以小文件居多，每个文件就占那么点空间，inode编号的消耗速率大于磁盘空间的消耗速率，这就极有可能出现上述inode编号用完了，但是磁盘空间还剩余很多的情况。

4、文件与目录
在linux系统中，一切皆文件。
在linux中怎么判断是文件还是目录呢？
1）通过ll命令判断：
如果开头是d，那就是目录（d即directory的缩写），如果开头是-，那就是普通文件。

2）通过stat命令判断：

5、硬链接与软链接
当我们创建一个文件时，该文件的文件名其实就是一个硬链接，一个文件至少有一个硬链接，但是一个硬链接不可以指向多个文件。
硬链接有什么作用：文件系统通过硬链接可以找到inode编号，进而找到inode，通过获取inode里存储的文件元数据可以读取到磁盘中存储的文件数据。
怎么查看文件的硬链接数呢？
1）通过ll查看：
第二列即为硬链接数

有没有注意到，普通文件的硬链接数与目录的硬链接数是不一样的，普通文件只有一个硬链接，而目录则有两个，这是为什么？
因为对于目录文件而言，除了可以通过目录名获取到文件的inode之外，还可以通过.(点号)获取，因为点号表示当前目录。
所以我们看到目录的硬链接数是2个。
2）还可以通过stat查看文件的硬链接数：

软链接是什么？软链接其实是一个独立的文件（分类为符号链接），它有自己的inode，它的inode里存储的是它所指向的文件的信息；由于软链接与它指向的文件是两个独立的文件，所以删除软链接并不会影响它指向的文件。
通过ln -s 123 softlink123建立一个软链接指向文件123

通过stat softlink123可以看到该文件是一个符号链接，即软链接，它有自己的inode，所以它是一个独立的文件，由于它的inode里存储的是它指向的文件的信息，所以通过软链接softlink123也可以读取到文件123的数据

可以看到通过硬链接和软链接读取到的文件内容是一样的

理解linux inode

理解linux inode

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1. inode的由来和作用

2. inode表中包含什么内容

3. 文件系统如何通过inode读取文件

4. 一个特殊的存在类型：硬链接

5. 目录文件的结构

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1、inode的由来和作用
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?硬盘创建文件系统时，会把物理磁盘的扇区（512字节）创建为由多个扇区组成的“块”（目前常用的为4KB，即8个扇区）。当操作系统从磁盘读取数据时，磁头从“块”上读取数据。为了快速查找数据，必须在磁盘上专门划分出一个专门的区域存储数据的“索引”，以方便快速查找数据。这种数据区域的“索引”就称为inode（index node）。

图片来自马哥教育马永亮讲课PPT，画的比较抽象，但是就是这个意思，反正我也画不出来好的。
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2、inode表中包含什么内容？

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?inode的内容包含文件的大小、权限、属主属组、时间戳、数据块指针。可通过linux系统中的stat命令，可以查看文件的inode信息。
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[[email protected] ~]# stat abc
  File: ‘abc’
  Size: 0           Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
Device: 802h/2050d  Inode: 50350850    Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2018-01-14 13:52:33.155811474 +0800
Modify: 2018-01-14 13:52:14.461811925 +0800
Change: 2018-01-14 13:52:14.461811925 +0800
 Birth: -
[[email protected] ~]#

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file：文件名
size：文件大小
blocks：文件内容占用块数量
IO Block：文件系统块大小
inode：inode号码
links：文件被硬链接的次数
Access: (0644/-rw-r--r--) ：文件属主、属组、其它组的权限
Uid ：文件属主的用户ID号
Gid ：文件属组的ID号
Access: 2018-01-14 13:52:33.155811474 +0800 ：文件访问时间
Modify: 2018-01-14 13:52:14.461811925 +0800 ：文件修改时间
Change: 2018-01-14 13:52:14.461811925 +0800 ：文件改变时间

?以上信息中，读取文件时，Access时间会更新。对文件进行修改操作时，Modify信息会更改。而修改文件时，势必要打开文件，所以Access信息也会更新。若用输出重定向的方式修改文件，则Access信息不会更新。
?而Change的时间，只要文件元数据发生改变，该时间就会更新。
 

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3、文件系统如何通过inode读取文件
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?系统读取文件时，通过文件名查找到对应的inode编号，再通过该编号找到inode信息，最后根据inode信息中的数据指针找到对应的块并完成读取文件的操作。
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?对于各种文件来说，数据指针位置存放的内容不同。
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• ?普通文件，数据指针直接指向数据块。
• ?符号链接文件：存储数据指针的空间当中存储的是真实文件的访问路径。
• ?设备文件：存储数据指针的空间当中存储的是设备号（major, minor）。
   

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  4、一个特殊的存在类型：硬链接
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  ?一般情况下，文件名和inode是一一对应关系，但硬链接允许不同文件名指向同一磁盘分区下的同一个inode号码。
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  ?这意味着，可以通过不同的路径访问同一文件且不会多占用inode编号。且只要硬链接数不为0，文件会一直存在。删除任意一个文件名，不会对文件造成影响。
   

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  5、目录文件的结构
   
   对于目录来说，按照linux的哲学思想，目录也是文件。进入目录就是打开目录（需要有x权限才可以进入）。如用ls查看目录
   

  [[email protected] tmp]# ll -id /tmp
  33574984 drwxrwxrwt. 10 root root 165 Jan 14 20:21 /tmp
  [[email protected] tmp]#

 目录由一系列目录项组成，每条目录项包含文件的文件名以及文件对应的inode号。
 
?目录创建之后就会在目录下创建两个目录.和..，分别代表当前目录和当前目录的父目录。前者的inode就是当前目录的inode号码，所以对于目录文件来说，硬链接数至少为2。