Linux目錄與inode 深入理解

1. 關於Linux目錄，檔案，資料塊
對於使用計算機的人而言，經常有一種 錯誤的認知：目錄(或者說，資料夾)裡面存放著檔案。實際上，目錄裡面並不存放檔案，以及檔案資料。
實際上，目錄是一個特殊的檔案，針對這個特殊的檔案也存在一些特殊的規則，比如利用命令cp /dev/null <your directory>並不能夠銷毀這個特殊的檔案，因為目錄的一些特殊的位元位保證了這一安全性，降低了人工操作帶來的風險。在一些老版本的Unix系統裡面，使用者可以利用cat命令開啟目錄，檢視裡面的資訊，在一些衍生於Debian系統的發行版Linux裡面，也可以利用vi工具開啟目錄，檢視一些資訊。
在Linux裡面，一個檔案的資訊被存放於兩個位置：

1. 資料塊(data block)當中
2. inode當中

硬碟的最小儲存單位叫做“磁區”（Sector）。每個磁區儲存512位元組（相當於0.5KB）。作業系統讀取磁碟的時候，不會一個個磁區“挨個讀取”，而是一次讀取多個磁區，即一次讀取一個“塊”(block)，這種由多個磁區組成的”塊”，是檔案存取的最小單位。”塊”的大小，最常見的是4KB，即連續八個 sector組成一個 block。data block當中存放了檔案的真實內容，而檔案的後設資料資訊，被存放到了inode當中。data block和inode被檔案系統有效地組織到了一起。
當檔案系統被建立之後，inode的數量以及data block的數量也被固定下來。我們不能夠修改inode的數量，也不能夠修改data block的數量。
當我們建立一個檔案的時候，inode編號將作為該檔案的唯一id，即，一個檔案在同一時刻僅擁有一個inode編號。當我們向一個檔案寫入內容的時候，資料被存放到了data block當中。而該檔案的檔名，被存放到了該檔案所在的目錄檔案當中。
對於目錄這種“特殊的檔案”，可以簡單地理解為是一張表，這張表裡面存放了隸屬於該目錄的檔案的檔名，以及所匹配的inode編號。
因此，在linux裡面，檔案被“拆分”到了3個地方，索引存於inode，檔名存於目錄，資料存於data block。

2. 關於硬連結以及複製
基於上述內容對於目錄的描述，可以比較容易解釋linux裡面的另外一個重要的概念: hard link(硬連結)。
對於檔案而言，真正的ID是inode編號，而並非檔名。回憶一下目錄檔案: 一張含有檔名和inode編號的表。在這張表裡面，我們暫定用一個如下結構表示一個檔案: [directory : (filename, inode_number)]，這裡以/etc/passwd檔案舉例，假設其inode編號為123456(確實有點兒假……)，則可以寫為[/etc/ : (passwd, 123456)]，假設我們在終端上面鍵入了如下命令:
[root@CentOS7-front1 ~]# ln /etc/passwd /root/hard_link_passwd則會在/root目錄下面出現一個新的檔名，叫做hard_link_passwd。如果用上述結構表示這個檔案，則為[/root/ : (hard_link_passwd, 123456)]，因此，這種目錄或檔名不同，但是inode編號相同的檔案，稱為硬連結。由於硬連結inode編號相同，而且對於同一個inode結構體，便會擁有相同的地址對映以及相同的塊裝置連結串列。因此，對於使用者空間而言，修改/etc/passwd，就相當於修改了/root/hard_link_passwd，反之亦然。
同樣基於上述內容對於目錄的描述，針對i_device相同的mv操作，僅僅是刪除了原目錄裡面對應的[directory : (filename, inode_number)]，並且在目標目錄新建了另一個[directory : (filename, inode_number)]，由於並沒有對於data block的任何操作，因此速度很快。

3. 初步檢視inode
利用ls -i命令可以檢視到當前目錄下面的所有檔案的inode編號，注意inode編號僅僅是inode結構體裡面的一項，並不代表inode全部，下面擷取/etc/目錄下的前5個檔案：
[root@centos7-front1 etc]# ls -i | head -n 5
  768684 abrt
 34370879 adjtime
 33554592 aliases
 35506331 aliases.db
100705463 alternatives

利用stat命令可以檢視一個檔案更加詳細的inode資訊，包括inode編號，佔用的塊數量，塊大小，硬連結個數，atime, mtime, ctime, ……下面用stat命令檢視/etc目錄(如上文所說，目錄也是一種特殊的檔案)
[root@centos7-front1 /]# stat /etc
  File: ‘/etc’
  Size: 8192            Blocks: 24        IO Block: 4096  directory
Device: 803h/2051d      Inode: 33554561    Links: 85
Access: (0755/drwxr-xr-x)  Uid: (    0/    root)  Gid: (    0/    root)
Access: 2017-03-28 17:13:00.510221799 -0400
Modify: 2017-03-28 12:37:32.150999451 -0400
Change: 2017-03-28 12:37:32.150999451 -0400
 Birth: -

從上述結果中，我們可以看出，針對/etc目錄而言，其大小為8192kb，為該目錄下的檔案所分配的塊數量為24個，型別為directory，裝置名稱為803h/2051d，其Inode編號為33554561，其硬連結個數為85個,許可權為0755，Uid和Gid均為0，還有atime, mtime, ctime這些資訊。
當然，利用stat命令查到的某個檔案的inode資訊並不是全部的inode結構體裡面的資訊。核心使用的inode結構體如下所示：
struct inode {
        struct hlist_node      i_hash;      // 雜湊表 */
        struct list_head        i_list;        // 索引節點連結串列 */
        struct list_head        i_dentry;    // 目錄項連結串列 */
        unsigned long          i_ino;      // 節點號 */
        atomic_t                i_count;      // 參照記數 */
        umode_t                i_mode;        // 存取許可權控制 */
        unsigned int            i_nlink;            // 硬連結數 */
        uid_t                  i_uid;              // 使用者id */
        gid_t                  i_gid;              // 使用者id組 */
        kdev_t                  i_rdev;              // 實裝置識別符號 */
        loff_t                  i_size;              // 以位元組為單位的檔案大小 */
        struct timespec        i_atime;            // 最後存取時間 */
        struct timespec        i_mtime;            // 最後修改(modify)時間 */
        struct timespec        i_ctime;            // 最後改變(change)時間 */
        unsigned int            i_blkbits;          // 以位為單位的塊大小 */
        unsigned long          i_blksize;          // 以位元組為單位的塊大小 */
        unsigned long          i_version;          // 版本號 */
        unsigned long          i_blocks;            // 檔案的塊數 */
        unsigned short          i_bytes;            // 使用的位元組數 */
        spinlock_t              i_lock;              // 自旋鎖 */
        struct rw_semaphore    i_alloc_sem;        // 索引節點號誌 */
        struct inode_operations *i_op;              // 索引節點操作表 */
        struct file_operations  *i_fop;              // 預設的索引節點操作 */
        struct super_block      *i_sb;              // 相關的超級塊 */
        struct file_lock        *i_flock;            // 檔案鎖連結串列 */
        struct address_space    *i_mapping;          // 相關的地址對映 */
        struct address_space    i_data;              // 裝置地址對映 */
        struct dquot            *i_dquot[MAXQUOTAS]; // 節點的磁碟限額 */
        struct list_head        i_devices;          // 塊裝置連結串列 */
        struct pipe_inode_info  *i_pipe;            // 管道資訊 */
        struct block_device    *i_bdev;            // 塊裝置驅動 */
        unsigned long          i_dnotify_mask;      // 目錄通知掩碼 */
        struct dnotify_struct  *i_dnotify;          // 目錄通知 */
        unsigned long          i_state;            // 狀態標誌 */
        unsigned long          dirtied_when;        // 首次修改時間 */
        unsigned int            i_flags;            // 檔案系統標誌 */
        unsigned char          i_sock;              // 可能是個通訊端吧 */
        atomic_t                i_writecount;        // 寫???記數 */
        void                    *i_security;        // 安全模組 */
        __u32                  i_generation;        // 索引節點版本號 */
        union {
                void            *generic_ip;        // 檔案特殊資訊 */
        } u;
};

4. inode使用情況以及大小
inode也會消耗硬碟空間，所以硬碟格式化的時候，作業系統自動將硬碟分成兩個區域。一個是資料區，存放檔案資料；另一個是inode區（inode table），存放inode所包含的資訊。
每個inode節點的大小，一般是128位元組或256位元組。inode節點的總數，在格式化時就給定，一般是每1KB或每2KB就設定一個inode。假定在一塊1GB的硬碟中，每個inode節點的大小為128位元組，每1KB就設定一個inode，那麼inode table的大小就會達到128MB，占整塊硬碟的12.8%。
檢視每個硬碟分割區的inode總數和已經使用的數量，可以使用df命令。
[root@centos7-front1 ~]# df -i
Filesystem      Inodes IUsed    IFree IUse% Mounted on
/dev/sda3      23860224 59694 23800530    1% /
devtmpfs        122809  367  122442    1% /dev
tmpfs            125170    1  125169    1% /dev/shm
tmpfs            125170  433  124737    1% /run
tmpfs            125170    13  125157    1% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1        256000  329  255671    1% /boot
tmpfs            125170    1  125169    1% /run/user/0

檢視某個分割區的檔案系統所分配的單個inode節點的大小，在ext檔案系統下，可以使用dumpe2fs命令，例如CentOS6系統上，針對/dev/sda3分割區：
[root@maCentos6 ~]# dumpe2fs -h /dev/sda3 | grep -i "inode size"
dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010)
Inode size:              256

在xfs檔案系統下，可以使用xfs_info命令，例如CentOS7系統上，針對/dev/sda3分割區：
[root@centos7-front1 ~]# xfs_info /dev/sda1
meta-data=/dev/sda1              isize=256    agcount=4, agsize=16000 blks
        =                      sectsz=512  attr=2, projid32bit=1
        =                      crc=0        finobt=0
data    =                      bsize=4096  blocks=64000, imaxpct=25
        =                      sunit=0      swidth=0 blks
naming  =version 2              bsize=4096  ascii-ci=0 ftype=0
log      =internal              bsize=4096  blocks=853, version=2
        =                      sectsz=512  sunit=0 blks, lazy-count=1
realtime =none                  extsz=4096  blocks=0, rtextents=0

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