Linux磁盘管理之元数据、文件和目录、链接文件03

一、存储设备分区简述

文件系统最终目的是把大量数据有组织的放入持久性的存储设备，如硬盘。硬盘存储能力具有持久性，不会因为断电而消失，存储量大，但读取速度慢。操作系统读取硬盘的时候，不会一个一个扇区读取，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”。这种由扇区组成的块，是文件存取的最小单位，块最常见的是4KB，即连续的8个sector组成一个block。文件数据都存储在块中，那么显然必须找到一个地方存储文件的元信息，比如文件的创建者、创建日期、文件大小等等。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”。

硬盘最开始的区域是MBR，用于Linux开机启动。剩余空间可分成若干分区。每个分区有一个相关的分区表，记录分区的相关信息，这个分区表是存储在分区之外的，分区表说明了对应分区的起始位置和分区的大小。

一个典型的Linux分区包含有下面各个部分：

1、分区的第一个部分是启动分区(Boot Block)，它主要是为计算机开机服务的。Linux开机启动后，会首先载入MBR，随后MBR从某个硬盘的启动区加载程序。该程序负责进一步的操作系统的加载和启动。为了方便管理，即使某个分区中没有安装操作系统，Linux也会在该分区预留启动区。
2、启动区之后的是超级区，它存储有文件系统的相关信息，包括文件系统的类型，inode的数目，数据块的数目；貌似一个inode位图和block位图，用一些空间的二进制来表示inode和block的使用情况，1表示使用过，0表示未使用，快速定位，具体怎么存储不知道。
3、随后是多个inodes，它们是实现文件存储的关键。在Linux系统中，一个文件可以分成几个数据块存储，每个文件对应一个inode，这个inode中包含多个指针，指向属于该文件的各个数据块。当操作系统需要读取文件时，就根据inode指向的数据块进行读取。
4、最后一部分，就是真正存储数据的数据块了。

二、iNode节点

在Linux文件管理中，文件除了自身数据之外，还有附属信息，即文件的元数据；这个元数据用于记录文件的许多信息，比如文件大小，属主，属组，修改日期等等。元数据并不包含在文件数据中，由系统维护，也就是包含在inode中。每个inode有一个唯一的整数编号表示(inode number)。

三、inode的内容

inode包含文件的元信息，具体来说具有以下内容：
**文件的字节数
**文件拥有者的UID
**文件的组ID
**文件的读、写、执行权限
**文件的时间戳，共有三个：ctime指inode创建时间，mtime文件内容上一次修改时间，atime指文件最后一次访问的时间。
**链接数，即有多少个文件名指向这个inode
**文件数据块block的位置
可以使用stat命令，查看某个文件的inode信息：stat example.txt
总之，除了文件名以外的所有文件信息，都存在inode之中。至于为什么没有文件名，下文会有详细解释。

四、inode大小

inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，系统自动将硬盘分成2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节点大小一般是128字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或2KB就设置一个inode，此数值不确实是不是正确。
查看每个硬盘分区的inode总数和已使用的数量，可以使用df命令：df –i
查看每个inode节点的大小，可以用如下命令：dumpe2fs –h /dev/hda | grep “Inode size”
由于每个文件都必须有inode，因此有可能发生inode已经用光，但是硬盘还未存满的情况，这时就无法在硬盘上创建新文件。

五、inode号码

每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。Linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或绰号。表面上用户通过文件名打开文件，实际上系统内部过程分三步：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。
使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号：
ls –i example.txt

六、目录文件

Linux系统中，目录也是一种文件。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，就是一系列目录项的列表。每个目录项由2部分组成：所包含文件的文件名和文件对应的inode号码。
ls命令只能列出目录文件中的所有文件名：ls /etc/
-i可以列出整个目录文件，即文件名和inode号码：ls –i /etc
如果要查看文件的详细信息，就必须根据inode号码，访问inode节点，读取信息。

举例：文件系统查找文件/var/log/message的过程
首先确定/目录文件的数据块，事实上/目录是由系统决定在哪里存储的，我们不用关心太多；读取/目录文件，找到var的文件名，找到对应的inode号，根据var的inode号查找到inode节点，从inode节点中读取var的block，得知var是个目录文件；打开var目录文件，查找到名称为log的文件名，找出log对应的inode号，查询inode对应的inode节点，通过inode节点找到log的block，读取log的block，发现log是个目录文件；打开log目录文件，查找到名称message文件名，找出message对应的inode号，查询inode对应的inode节点，通过inode节点找到message的block，即找到了message文件；由此可以看到操作系统经过了哪些曲折的步骤。

七、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）。

ln命令可以创建硬链接：ln 源文件 目标文件

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。删除一个文件本质上就是去删除这个文件的硬链接。

顺便说一下目录文件的链接数。目录文件是不可以通过ln命令来创建硬链接的，但是目录文件本身却有硬链接，且至少2个硬链接数。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）,这里的2是原目录对其的“硬链接”和当前目录下的".硬链接“。

八、软连接

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。创建软连接时会增加一个inode节点，而硬链接不会。

其它区别：
软连接可以连接目录，而硬链接不可以链接目录。
软连接可以跨分区进行链接，而硬链接不可以跨分区，更不可以跨磁盘作链接，这是由于硬链接的inode号是针对分区来说的，inode在分区里才有实际意义。

九、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：
1. 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：find . -inum 69905165 -exec rm -i {} \;
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。因此，通常来说，系统无法从inode号码得知文件名。
      第3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。

十、实际问题

在一台配置较低的Linux服务器（内存、硬盘比较小）的/data分区内创建文件时，系统提示磁盘空间不足，用df -h命令查看了一下磁盘使用情况，发现/data分区只使用了66%，还有12G的剩余空间，按理说不会出现这种问题。 后来用df -i查看了一下/data分区的索引节点(inode)，发现已经用满(IUsed=100%)，导致系统无法创建新目录和文件。

查找原因：
/data/cache目录中存在数量非常多的小字节缓存文件，占用的Block不多，但是占用了大量的inode。

解决方案：
1、删除/data/cache目录中的部分文件，释放出/data分区的一部分inode。
2、用软连接将空闲分区/opt中的newcache目录连接到/data/cache，使用/opt分区的inode来缓解/data分区inode不足的问题：ln -s /opt/newcache /data/cache

十一、文件共享

在Linux的进程中，当我们打开一个文件时，返回的是一个文件描述符。这个文件描述符是一个数组的下标，对应数组元素为一个指针。有趣的是，这个指针并没有直接指向文件的inode，而是指向了一个文件表格，再通过该表格，指向加载到内存中的目标文件的inode。如下图，一个进程打开了两个文件。

 

可以看到，每个文件表格中记录了文件打开的状态(status flags)，比如只读，写入等，还记录了每个文件的当前读写位置(offset)。当有两个进程打开同一个文件时，可以有两个文件表格，每个文件表格对应的打开状态和当前位置不同，从而支持一些文件共享的操作，比如同时读取。要注意的是进程fork之后的情况，子进程将只复制文件描述符的数组，而和父进程共享内核维护的文件表格和inode。此时要特别小心程序的编写