Linux inode及硬链接软链接详解

York • 2020 年 09 月 28 日

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操作系统的文件数据除了实际内容之外，通常含有非常多的属性，例如 `Linux`操作系统的文件权限与文件属性。文件系统通常会将这两部分内容分别存放在 `inode`和 `block`中。

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# inode 和 block 概述

文件是存储在硬盘上的，硬盘的最小存储单位叫做扇区 `sector`，每个扇区存储 `512字节`。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 `block`。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 `sector`组成一个 `block`。

文件数据存储在块中，那么还必须找到一个地方存储文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种存储文件元信息的区域就叫做 `inode`，中文译名为 `索引节点`，也叫 `i节点`。因此，一个文件必须占用一个 `inode`，但至少占用一个 `block`。

* 元信息 → inode

* 数据 → block

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# inode 内容

`inode`包含很多的文件元信息，但不包含文件名，例如：字节数、属主 `UserID`、属组 `GroupID`、读写执行权限、时间戳等。

而文件名存放在目录当中，但 `Linux`系统内部不使用文件名，而是使用 `inode号码`识别文件。对于系统来说文件名只是 `inode号码`便于识别的别称。

## stat

* 查看`inode`信息

```shell

[root@localhost ~]# echo "this is test file" > test.txt

```

```shell

[root@localhost ~]# stat test.txt

File: ‘test.txt’

Size: 18 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file

Device: fd00h/64768d Inode: 33574994 Links: 1

Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root)

Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0

Access: 2019-08-28 19:55:05.920240744 +0800

Modify: 2019-08-28 19:55:05.920240744 +0800

Change: 2019-08-28 19:55:05.920240744 +0800

Birth: -

```

三个主要的时间属性：

`ctime`：`change time`是最后一次改变文件或目录(属性)的时间，例如执行 `chmod`，`chown`等命令。

`atime`：`access time`是最后一次访问文件或目录的时间。

`mtime`：`modify time`是最后一次修改文件或目录(内容)的时间。

## file

* 查看文件类型

```shell

[root@localhost ~]# file test

test: directory

[root@localhost ~]# file test.txt

test.txt: ASCII text

```

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# inode 号码

表面上，用户通过文件名打开文件，实际上，系统内部将这个过程分为三步：

1.系统找到这个文件名对应的 `inode`号码；

2.通过 `inode`号码，获取 `inode`信息；

3.根据 `inode`信息，找到文件数据所在的 `block`，并读出数据。

其实系统还要根据 `inode`信息，看用户是否具有访问的权限，有就指向对应的数据 `block`，没有就返回权限拒绝。

## ls -i

* 直接查看文件`i节点号`，也可以通过`stat`查看文件`inode信息`查看`i节点号`。

```shell

[root@localhost ~]# ls -i

33574991 anaconda-ks.cfg 2086 test 33574994 test.txt

```

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# inode 大小

`inode`也会消耗硬盘空间，所以格式化的时候，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，存放 `inode`所包含的信息。每个 `inode`的大小，一般是 `128`字节或 `256`字节。通常情况下不需要关注单个 `inode`的大小，而是需要重点关注 `inode`总数。`inode`总数在格式化的时候就确定了。

## df -i

* 查看硬盘分区的`inode总数`和`已使用`情况

```shell

[root@localhost ~]# df -i

Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on

/dev/mapper/centos-root 8910848 26029 8884819 1% /

devtmpfs 230602 384 230218 1% /dev

tmpfs 233378 1 233377 1% /dev/shm

tmpfs 233378 487 232891 1% /run

tmpfs 233378 16 233362 1% /sys/fs/cgroup

/dev/sda1 524288 328 523960 1% /boot

tmpfs 233378 1 233377 1% /run/user/0

```

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# 特有现象

由于 `inode`号码与文件名分离，导致一些 `Unix/Linux`系统具备以下几种特有的现象。

1.文件名包含特殊字符，可能无法正常删除。这时直接删除 `inode`，能够起到删除文件的作用；

```shell

find ./* -inum 节点号 -delete

```

2.移动文件或重命名文件，只是改变文件名，不影响 `inode`号码；

3.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。

这种情况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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# inode 耗尽故障

由于硬盘分区的 `inode`总数在格式化后就已经固定，而每个文件必须有一个 `inode`，因此就有可能发生 `inode`节点用光，但硬盘空间还剩不少，却无法创建新文件。同时这也是一种攻击的方式，所以一些公用的文件系统就要做磁盘限额，以防止影响到系统的正常运行。

至于修复，很简单，只要找出哪些大量占用 `i节点`的文件删除就可以了。

**demo**:

1.先准备一个比较小的硬盘分区 `/dev/sdb1`，并格式化挂载，这里挂载到了 `/data`目录下。

```shell

[root@localhost ~]# df -hT /data/

Filesystem Type Size Used Avail Use% Mounted on

/dev/sdb1 xfs 29M 1.8M 27M 6% /data

```

2.先测试可以正常创建文件。

```shell

[root@localhost ~]# touch /data/test{1..5}.txt

[root@localhost ~]# ls /data/

test1.txt test2.txt test3.txt test4.txt test5.txt

```

3.查看i节点的使用情况。

```shell

[root@localhost ~]# df -i /data/

Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on

/dev/sdb1 16384 8 16376 1% /data

```

4.编写一个测试程序，创建大量空文件，用于耗尽此分区中的 `i节点`数。

```shell

[root@localhost ~]# vim killinode.sh

#!/bin/bash

i=1

while [ i -le 16376 ]

do

touch /data/filei

let i++

done

```

5.运行测试程序，结束后查看 `i节点`占用情况，磁盘分区空间使用情况。

```shell

[root@localhost ~]# sh killinode.sh

[root@localhost ~]# df -i /data/

Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on

/dev/sdb1 16384 16384 0 100% /data

[root@localhost ~]# df -hT /data/

Filesystem Type Size Used Avail Use% Mounted on

/dev/sdb1 xfs 29M 11M 19M 36% /data

```

6.虽然还有很多剩余空间，但是i节点耗尽了，也无法创建创建新文件，这就是 `i节点`耗尽故障。

```shell

[root@localhost ~]# touch /data/newfile.txt

touch: cannot touch ‘/data/newfile.txt’: No space left on device

```

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# 硬链接与软链接

## 硬链接

通过文件系统的 `inode`链接来产生的新的文件名，而不是产生新的文件，称为硬链接。

一般情况下，每个 `inode`号码对应一个文件名，但是 `Linux`允许多个文件名指向同一个 `inode`号码。意味着可以使用不同的文件名访问相同的内容。

```shell

ln 源文件 目标

```

运行该命令以后，源文件与目标文件的 `inode`号码相同，都指向同一个 `inode`。`inode`信息中的链接数这时就会增加 `1`。

当一个文件拥有多个硬链接时，对文件内容修改，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。删除一个文件名，只会使得 `inode`中的链接数减 `1`。

需要注意的是不能对目录做硬链接。

通过 `mkdir`命令创建一个新目录，其硬链接数应该有 `2`个，因为常见的目录本身为 `1`个硬链接，而目录下面的隐藏目录 `.(点号)`是该目录的又一个硬链接，也算是 `1`个连接数。

## 软链接

类似于Windows的快捷方式功能的文件，可以快速连接到目标文件或目录，称为软链接。

```shell

ln -s 源文件或目录 目标文件或目录

```

软链接就是再创建一个独立的文件，而这个文件会让数据的读取指向它连接的那个文件的文件名。例如，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`。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。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。

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