理解inode 以及 软链接和硬链接概念区分

Posted 2021-02-03 xuyaowen

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!

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。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。

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）。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。

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。

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

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。

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”

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。 

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。

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。

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。

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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/