Linux inode介绍

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简介

理解inode,要从文件储存说起。

文件储存在硬盘上,硬盘的最小存储单位叫做"扇区"(Sector)。每个扇区储存512字节(相当于0.5KB)

操作系统读取硬盘的时候,不会一个一个扇区地读取,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

文件数据都储存在"块"中,那么很显然,我们还必须找到一个地方储存文件的元信息,比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存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。

每一个文件都有对应的inode,里面包含了与该文件有关的一些元数据信息。

由此可见:

  • 元信息 → inode
  • 数据 → block

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(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 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。

可以用stat命令,查看某个文件的inode信息:

总之,除了文件名以外的所有文件元信息,都存在inode之中。

查看inode信息

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

三个主要的时间属性:

ctimechange time是最后一次改变文件或目录(属性)的时间,例如执行chmodchown等命令。
atimeaccess time是最后一次访问文件或目录的时间。
mtimemodify time是最后一次修改文件或目录(内容)的时间。

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。

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。

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。

查看每个inode节点的大小,可以用如下命令:

由于每个文件都必须有一个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。

查看硬盘分区的inode总数和已使用情况

  • Inodes:节点容量
  • IUsed:已使用节点
  • IFree:未使用节点
  • IUse%:已使用所占百分比

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。

这里值得重复一遍,Unix/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者绰号。表面上,用户通过文件名,打开文件。实际上,系统内部这个过程分成三步: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。

使用ls -i命令,可以看到文件名对应的inode号码:

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。

ls命令只列出目录文件中的所有文件名:

ls -i命令列出整个目录文件,即文件名和inode号码:

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。ls -l命令列出文件的详细信息。

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;

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。

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。

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。

2.先测试可以正常创建文件。

3.查看i节点的使用情况。

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。

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。

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。

Linux 文件系统通过 i 节点把文件的逻辑结构和物理结构转换的工作过程?

Linux 通过 inode 节点表将文件的逻辑结构和物理结构进行转换。

  • inode 节点是一个 64 字节长的表,表中包含了文件的相关信息,其中有文件的大小、文件所有者、文件的存取许可方式以及文件的类型等重要信息。在 inode 节点表中最重要的内容是磁盘地址表。在磁盘地址表中有 13 个块号,文件将以块号在磁盘地址表中出现的顺序依次读取相应的块。
  • Linux 文件系统通过把 inode 节点和文件名进行连接,当需要读取该文件时,文件系统在当前目录表中查找该文件名对应的项,由此得到该文件相对应的 inode 节点号,通过该 inode 节点的磁盘地址表把分散存放的文件物理块连接成文件的逻辑结构。

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。由于 Linux 下的文件是通过索引节点(inode)来识别文件,硬链接可以认为是一个指针,指向文件索引节点的指针,系统并不为它重新分配 inode 。每添加一个硬链接,文件的链接数就加 1 。

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。

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inodeinode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

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Binode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Binode号码,文件Binode链接数不会因此发生变化。

区别

实际场景下,基本是使用软链接

总结区别如下:

  • 硬链接不可以跨分区,软件链可以跨分区。

  • 硬链接指向同一个 inode 节点,而软链接则是创建一个新的 inode 节点。

  • 删除硬链接原文件,不会删除硬连接文件,硬连接文件访问也不会报错;删除软链接原文件,软连接文件访问会报错。

inode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。

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  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。

  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。

实际案例

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:

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    小麦苗

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