Linux inode介绍
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：
1 | stat example.txt |
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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | [root@raclhr-21c-n1 ~]# touch xmmup.txt [root@raclhr-21c-n1 ~]# stat xmmup.txt File: ‘xmmup.txt’ Size: 0 Blocks: 0 IO Block: 4096 regular empty file Device: fd03h/64771d Inode: 1179712 Links: 1 Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root) Access: 2021-08-25 14:32:56.561356847 +0800 Modify: 2021-08-25 14:32:56.561356847 +0800 Change: 2021-08-25 14:32:56.561356847 +0800 Birth: - [root@raclhr-21c-n1 ~]# ll -i xmmup.txt 1179712 -rw-r--r-- 1 root root 0 Aug 25 14:32 xmmup.txt [root@raclhr-21c-n1 ~]# file xmmup.txt xmmup.txt: empty [root@raclhr-21c-n1 ~]# file . .: directory |
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。
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。
1 | df -i |
查看每个inode节点的大小，可以用如下命令：
1 | sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep "Inode size" |
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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | [root@raclhr-21c-n1 ~]# df -i Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on devtmpfs 1015032 612 1014420 1% /dev tmpfs 1019367 274 1019093 1% /dev/shm tmpfs 1019367 1734 1017633 1% /run tmpfs 1019367 16 1019351 1% /sys/fs/cgroup /dev/mapper/centos_lhrdocker-root 3276800 175079 3101721 6% / /dev/sda1 65536 348 65188 1% /boot /dev/mapper/vg_oracle-lv_orasoft_u01 3932160 58325 3873835 2% /u01 /dev/mapper/vg_docker-lv_docker 52428800 47 52428753 1% /var/lib/docker /dev/mapper/centos_lhrdocker-home 655360 219 655141 1% /home tmpfs 1019367 9 1019358 1% /run/user/42 tmpfs 1019367 1 1019366 1% /run/user/54322 tmpfs 1019367 1 1019366 1% /run/user/0 |
- 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：
1 | ls -i example.txt |
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：
1 | ls /etc |
ls -i命令列出整个目录文件，即文件名和inode号码：
1 | 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。ls -l命令列出文件的详细信息。
1 | ls -l /etc |
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；
1 | 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。
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。
1 2 3 | [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。
1 2 3 | [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。
1 2 3 | [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。
1 2 3 4 5 6 7 8 | [root@localhost ~]# vim killinode.sh #!/bin/bash i=1 while [ $i -le 16376 ] do touch /data/file$i 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。
1 2 3 4 5 6 7 | [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。
1 2 | [root@localhost ~]# touch /data/newfile.txt touch: cannot touch ‘/data/newfile.txt’: No space left on device |
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。
1 | 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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | [root@raclhr-21c-n1 ~]# mkdir d1 [root@raclhr-21c-n1 ~]# ln d1 d2 ln: ‘d1’: hard link not allowed for directory [root@raclhr-21c-n1 ~]# ll -i d1 total 0 [root@raclhr-21c-n1 ~]# stat d1 File: ‘d1’ Size: 4096 Blocks: 8 IO Block: 4096 directory Device: fd03h/64771d Inode: 1179836 Links: 2 Access: (0755/drwxr-xr-x) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root) Access: 2021-08-25 14:50:57.340375837 +0800 Modify: 2021-08-25 14:50:26.173375290 +0800 Change: 2021-08-25 14:50:26.173375290 +0800 Birth: - [root@raclhr-21c-n1 ~]# file d1 d1: directory |
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。
1 | 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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 | [root@raclhr-21c-n1 ~]# ln -s d1 d2 [root@raclhr-21c-n1 ~]# file d2 d2: symbolic link to `d1` [root@raclhr-21c-n1 ~]# [root@raclhr-21c-n1 ~]# ll d1 total 0 [root@raclhr-21c-n1 ~]# ll d2 lrwxrwxrwx 1 root root 2 Aug 25 14:52 d2 -> d1 [root@raclhr-21c-n1 ~]# stat d1 File: ‘d1’ Size: 4096 Blocks: 8 IO Block: 4096 directory Device: fd03h/64771d Inode: 1179836 Links: 2 Access: (0755/drwxr-xr-x) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root) Access: 2021-08-25 14:50:57.340375837 +0800 Modify: 2021-08-25 14:50:26.173375290 +0800 Change: 2021-08-25 14:50:26.173375290 +0800 Birth: - [root@raclhr-21c-n1 ~]# stat d2 File: ‘d2’ -> ‘d1’ Size: 2 Blocks: 0 IO Block: 4096 symbolic link Device: fd03h/64771d Inode: 1179838 Links: 1 Access: (0777/lrwxrwxrwx) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root) Access: 2021-08-25 14:52:55.710377917 +0800 Modify: 2021-08-25 14:52:55.710377917 +0800 Change: 2021-08-25 14:52:55.710377917 +0800 Birth: - |
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。
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。
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：
1 | ln -s /opt/newcache /data/cache |
