linux文件存储之inode学习 - 我心向阳-胡勇的博客

inode 是 Linux 操作系统中存储文件时用到的一种数据结构，它包含了与文件系统中各个文件相关的一些重要信息。

一、几个概念

1.扇区(Sector)

硬盘的最小存储单元叫做扇区(Sector)，每个扇区大小为 512 字节(相当于 0.5KB)。

Linux 查看扇区大小：fdisk -l /dev/sda

$ sudo fdisk -l /dev/nvme0n1
Disk /dev/nvme0n1: 953.87 GiB, 1024209543168 bytes, 2000409264 sectors
Disk model: YMTC PC300-1TB-B                        
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes        # 1 个扇区大小为 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: gpt
Disk identifier: 9F0C9D9F-7225-4652-A3F7-C4E0312F138D

Device              Start        End   Sectors   Size Type
/dev/nvme0n1p1       2048    2000895   1998848   976M EFI System
/dev/nvme0n1p2    2000896   64501759  62500864  29.8G Linux swap
/dev/nvme0n1p3   64501760  357470207 292968448 139.7G Linux filesystem
/dev/nvme0n1p4  357470208  357502975     32768    16M Microsoft reserved
/dev/nvme0n1p5  357502976  650438655 292935680 139.7G Microsoft basic data
/dev/nvme0n1p6  650438656  943407103 292968448 139.7G Linux filesystem
/dev/nvme0n1p7  943407104 1250606322 307199219 146.5G Linux filesystem
/dev/nvme0n1p8 1250607104 1557805055 307197952 146.5G Linux filesystem

2.块(Block)

Windows 文件系统的最小逻辑存储单元叫做簇（Cluster），而Unix/Linux 系统则将最小逻辑存储单位叫做块（Block），每个块或簇可以包括 2、4、8、16、32、64(2 的 n 次方)个相邻的扇区，Linux 文件系统中块的大小一般为 8 个相邻的扇区，也就是 4KB(这个值可以在格式化分区的时候修改)。系统读取数据时是一个块一个块的读取，而不是一个扇区一个扇区的读取。

3.数据区和 Inode 区

Linux 在格式化硬盘时，linux 系统在格式化硬盘时，会将硬盘分区分成 2 个区域。一个是数据区（data area），以块为最小存储单元，用于存放文件数据；另一个是inode 区（inode table，也叫 inode 索引表），以 inode 节点为最小存储单元，用于存放文件存储大小、权限、时间戳、链接数等关键的元信息。

文件名并不属于 inode 信息，因此不会存放到 inode table，而是存放在目录表(见目录树)中

二、文件读取方式

先看一张图：

1.目录树

首先，Linux 文件系统是以目录树的形式来存储和读取的，根节点是”/”，因此所有的文件都必须处于目录内，目录中存放的数据实际上是一个目录表。而目录表中包含 2 个元素，一个是 inode 号码，一个是目录内文件名。

2.inode 表

Inode 表中存储着所有文件的元信息，其中包含 inode 号码，并有一个指针指向文件的数据存储位置，这个数据存储位置就在数据区中。

3.数据区

数据区中存放着文件的真实数据，因为数据区最小存储单元是块，每个块的大小固定(8 个扇区)，如 Linux 系统块的大小一般为 4KB，因此一个块只能存放一个文件的内容，无论这个文件有多小，也就是说一个文件占用的空间必然是 1 个或多个块的大小，也就是 4K 的倍数。

先创建几个目录和文件进行演示：

hy@hollowman:~$ mkdir inodes
hy@hollowman:~$ cd inodes/
hy@hollowman:~/inodes$ ls -alih    # 总计有 8KB
总计 8.0K
2650835 drwxr-xr-x  2 hy hy 4.0K 12月25日 12:54 .
2359298 drwxr-xr-x 36 hy hy 4.0K 12月25日 12:54 ..
hy@hollowman:~/inodes$ touch file1
hy@hollowman:~/inodes$ ls -alih    # 创建空文件，数据区没数据，总计还是 8KB
总计 8.0K
2650835 drwxr-xr-x  2 hy hy 4.0K 12月25日 12:54 .
2359298 drwxr-xr-x 36 hy hy 4.0K 12月25日 12:54 ..
2650921 -rw-r--r--  1 hy hy    0 12月25日 12:54 file1
hy@hollowman:~/inodes$ echo 'this is file' > file1
hy@hollowman:~/inodes$ ls -alih    # 写入了数据，有内容，文件大小只有是 13B,但占据了一个块的大小（4KB）,总计有 12KB
总计 12K
2650835 drwxr-xr-x  2 hy hy 4.0K 12月25日 12:54 .
2359298 drwxr-xr-x 36 hy hy 4.0K 12月25日 12:54 ..
2650921 -rw-r--r--  1 hy hy   13 12月25日 12:55 file1

三、查看文件的 inode 信息

可通过命令：stat filename来查看文件的 inode 信息

hy@hollowman:~/inodes$ stat file1 
  文件：file1
  大小：13              块：8          IO 块大小：4096   普通文件
  设备：259,3     Inode: 2650921     硬链接：1
权限：(0644/-rw-r--r--)  Uid: ( 1000/      hy)   Gid: ( 1000/      hy)
访问时间：2024-12-25 12:54:58.699715938 +0800
修改时间：2024-12-25 12:55:35.854387988 +0800
变更时间：2024-12-25 12:55:35.854387988 +0800
创建时间：2024-12-25 12:54:58.699715938 +0800

打印出的信息中，除了文件名不属于 inode，其他都是 inode 中包含的元信息。下面为各个元信息的说明：

文件大小(size): 13 字节，这是文件的实际大小
分配的区块数(Blocks): 8，也就是分配 1 个块=连续的 8 个扇区，这是文件实际占用空间大小：8 * 512 bytes = 4KB
IO 块(IO Block): 4096，表示该文件系统的最小寻址单元，对应 Blocks 也就是 4096 bytes(4KB)
文件类型: 普通文件 regular file
所在设备(device): 259,3
Inode 号: 2650921
硬链接数(Links): 1
权限(Access): 0664/-rw-rw-r--，文件的读取权限
Uid: 1000/hy，文件的属主为 hy 用户
Gid: 1000/hy，文件的属组为 hy 用户组
最近访问时间(access time): 2022-04-24 08:30:10.001781375 +0800
最近修改时间(modify time): 指的文件内容变动时间
最近变更时间(change time): 指的 inode 变动时间
创建时间(birth): 文件创建时间

在 Linux 系统中仅仅通过 inode 号码来标识不同文件，而文件名只是文件的一个别称，在 Linux 系统中还可以通过硬链接的方式用不同文件名指向同一个 inode 号码，这样两个文件名的数据完全相同（见下方的硬链接）。

四、inode 的大小

既然在格式化硬盘的时候，系统会将硬盘分成两个区域：数据区(data area)和 inode 区（inode table），那 inode 也是需要占用硬盘空间的，数据区和 inode 区中任意一个区存储满了，硬盘也就无法再存储文件了，哪怕另一个区中还有空间。

每个 inode 的大小，一般是 128 字节或 256 字节。而 inode 的总数则在格式化时就会给定，一般每 1KB 或每 2KB 或 4KB 设置一个 inode。例如一块硬盘分区时,每分配 4KB 给 data area，就分配一个 inode(假设每个 inode 大小为 128b)，那么 inode table 与 data area 的比例就是 128:4096=1:32。

可以用df -i命令查看硬盘分区的 inode 总数和已经使用的数量

hy@hollowman:~/inodes$ df -i /
文件系统         Inodes   已用I    可用I  已用I%  挂载点
/dev/nvme0n1p3  9158656  373253  8785403      5%  /

五、硬链接

用户找到和打开文件的步骤：

找到这个文件名对应的 inode 号码（目录表）
通过 inode 号码获取 inode 信息（inode table）
根据 inode 信息找到文件数据所在的 block 并读取数据（data area）

虽然文件读取都是通过 inode 号码，但我们日常却是对文件名来操作的，对文件名的操作则用到了硬链接。

硬链接是文件名直接指向 inode 号码，一个 inode 号码可以对应多个硬链接，创建文件的过程其实也是一个硬链接的过程，刚创建的文件硬链接数量是 1。

创建硬链接用ln命令

hy@hollowman:~/inodes$ ls -al                           # file1 硬链接为 1 （ls 显示的第二列为硬链接数）
总计 12
drwxr-xr-x  2 hy hy 4096 12月25日 13:51 .
drwxr-xr-x 36 hy hy 4096 12月25日 13:40 ..
-rw-r--r--  1 hy hy   13 12月25日 12:55 file1
hy@hollowman:~/inodes$ ln file1 file_back               # 创建硬链接
hy@hollowman:~/inodes$ ls -al                           # file1 及 file_back 的硬链接均为 2,
总计 16
drwxr-xr-x  2 hy hy 4096 12月25日 13:51 .
drwxr-xr-x 36 hy hy 4096 12月25日 13:40 ..
-rw-r--r--  2 hy hy   13 12月25日 12:55 file1
-rw-r--r--  2 hy hy   13 12月25日 12:55 file_back
hy@hollowman:~/inodes$ echo 'second line' >> file_back  # 给 file_back 追加一行，改变了数据区内容
hy@hollowman:~/inodes$ diff file1 file_back -s          # file1 及 file_back 的文件内容完全一样
文件 file1 和 file_back 相同
hy@hollowman:~/inodes$ ls -ali                          # file1 及 file_back 的文件的inodes 相同 
总计 16
2650835 drwxr-xr-x  2 hy hy 4096 12月25日 13:51 .
2359298 drwxr-xr-x 36 hy hy 4096 12月25日 13:40 ..
2650921 -rw-r--r--  2 hy hy   25 12月25日 13:52 file1
2650921 -rw-r--r--  2 hy hy   25 12月25日 13:52 file_back

六、软链接

除了硬链接，还有一个软链接，软链接也是符号链接的意思，其文件名直接指向的是软链接文件名。软链接创建了一个新的文件，有自己的 inode 号码。
创建软链接用ln -s命令

hy@hollowman:~/inodes$ ln -s file1 file_back_s             # 创建软链接
hy@hollowman:~/inodes$ ls -ali                             # file_back_s 的大小、inode 号码及硬链接数都与 file1 不同
总计 16
2650835 drwxr-xr-x  2 hy hy 4096 12月25日 14:02 .
2359298 drwxr-xr-x 36 hy hy 4096 12月25日 13:40 ..
2650921 -rw-r--r--  2 hy hy   25 12月25日 13:52 file1
2650921 -rw-r--r--  2 hy hy   25 12月25日 13:52 file_back
2650928 lrwxrwxrwx  1 hy hy    5 12月25日 14:02 file_back_s -> file1
hy@hollowman:~/inodes$ echo 'three lines' >> file_back_s   # 追加内容到软链接文件 file_back_s
hy@hollowman:~/inodes$ ls -ali                             # 改变的是 file1 及 file_back 的大小
总计 16
2650835 drwxr-xr-x  2 hy hy 4096 12月25日 14:06 .
2359298 drwxr-xr-x 36 hy hy 4096 12月25日 14:06 ..
2650921 -rw-r--r--  2 hy hy   37 12月25日 14:06 file1
2650921 -rw-r--r--  2 hy hy   37 12月25日 14:06 file_back
2650928 lrwxrwxrwx  1 hy hy    5 12月25日 14:02 file_back_s -> file1

七、目录的创建

linux 系统一切皆文件，目录也是一个文件，只不过目录是一个特殊的文件，创建目录的同时，会同时创建 1 个当前目录以及 1 个父目录的硬链接。

hy@hollowman:~/inodes$ mkdir childir      # 创建目录 childir
hy@hollowman:~/inodes$ ls -al             # childir 目录的硬链接为 2,当前目录的硬链接数也 +1 了
总计 20
drwxr-xr-x  3 hy hy 4096 12月25日 14:10 .
drwxr-xr-x 36 hy hy 4096 12月25日 14:06 ..
drwxr-xr-x  2 hy hy 4096 12月25日 14:10 childir
-rw-r--r--  2 hy hy   37 12月25日 14:06 file1
-rw-r--r--  2 hy hy   37 12月25日 14:06 file_back
lrwxrwxrwx  1 hy hy    5 12月25日 14:02 file_back_s -> file1
hy@hollowman:~/inodes$ ls -ali childir/    # childir 目录下还存在当前目录(.)和当前目录的父目录(..)这2个硬链接
总计 8
2650922 drwxr-xr-x 2 hy hy 4096 12月25日 14:10 .
2650835 drwxr-xr-x 3 hy hy 4096 12月25日 14:10 ..

因此，目录的硬链接数 = 1(本身) + 1(目录内自动创建的硬链接) + 子目录数(每个子目录内会创建其父目录硬链接) = 子目录数 + 2