Linux 檔案與目錄詳解

筆者在前文《Linux EXT2 檔案系統中》中介紹了 EXT2 檔案系統中的基本概念，本文繼續以 EXT2 檔案系統為例介紹檔案系統是如何管理檔案儲存的。

inode

在前文介紹檔案系統時我們提到了 inode 和 data block。在 EXT2 檔案系統中，inode 用來存放檔案的元資訊，data block 用來存放檔案的內容。inode 包含的檔案元資訊有：

• 該檔案的讀寫許可權(rwx)
• 該檔案的擁有者和所屬組(owner/group)
• 該檔案的大小
• 該檔案的 ctime(建立時間)
• 該檔案的 atime(最近一次的讀取時間)
• 該檔案的 mtime(最近修改的時間)
• 該檔案的特殊標識，比如 SetUID 等
• 該檔案真正內容的指向(檔案 data block 的位置)

總之，除了檔名之外的所有檔案資訊都存在 inode 中。我們可以使用 stat 命令來檢視檔案的 inode 資訊：

$ stat test.txt

inode 的大小
inode 本身是會消耗磁碟空間的，我們可以通過下面的方式檢視 inode 的大小：

$ sudo dumpe2fs -h /dev/sdd1 | grep "Inode size"

在筆者的機器上，輸出的結果如下：

dumpe2fs 1.42.13 (17-May-2015)
Inode size:              256

也就是說一個 inode 占用 256 個位元組的磁碟空間。

inode 耗盡問題
因為每個檔案需要佔用一個 inode，所以生產中會碰到 inode 耗盡導致無法建立新檔案的問題。我們可以通過 df 命令 的 -i 選項檢視檔案系統中 inode 的使用情況：

$ df -i

檔案

每個檔案都會佔用一個 inode，inode 內則有檔案資料放置的 block 號碼。當我們在 Linux 下的 ext2 檔案系統中建立一個一般檔案時，ext2 檔案系統會分配一個 inode 與相對於該檔案大小的 data block(一個或多個) 給該檔案。inode 記錄該檔案的許可權與屬性，並記錄分配到的 data block 號碼。例如：假設一個 data block 的大小為 4 KBytes，而要建立一個 100 Kbytes 的檔案，linux 就會分配一個 inode 與 25 個data block 來儲存該檔案！
單個檔案，inode 和 data block 的示意圖(可以簡單的理解為下圖的樣子)：

這種資料存取的方法我們稱為索引式檔案系統(indexed allocation)。

雖然從實現的層面上來看，可以直接從 inode 找到其對應的 data block，但是我們卻不能通過 inode 直接存取檔案，因為這會破壞通過許可權進行的存取控制。例如，如果沒有遍歷目錄的許可權，那麼無論檔案上的許可權是什麼，都不能存取該目錄中的任何檔案。如果可以通過inode存取檔案，就可以繞過目錄許可權。

目錄

注意，inode 本身並不記錄檔名，檔名的記錄是在目錄的 data block 當中。
目錄本質上也是一個檔案，所以當我們在 ext2 檔案系統中建立一個目錄時，檔案系統會分配一個 inode 和至少一塊 data block 給這個目錄。其中，inode 記錄該目錄相關的許可權與屬性，並記錄分配到的 data block 號碼。而 data block 中則記錄著在這個目錄下的檔名(目錄也是檔案)與該檔名的 inode 號碼。也就是說目錄所佔用的 data block 的內容記錄著類似下面的資訊：

目錄項
檔名及其對應的 inode 被稱為目錄項。其實，目錄項是記憶體中的資料結構，所以實際情況是檔名對應的是指向 inode 的指標。我們可以通過下面的示意圖來理解 inode、目錄、檔案以及目錄項之間的關係：

從磁碟讀取一個檔案的過程

由於目錄樹是由根目錄開始讀起，因此通過檔案系統的掛載資訊可以找到掛載點的 inode 號，此時就能夠得到根目錄的 inode 內容，並通過這個 inode 讀取根目錄的 data block 中的檔名稱，再一層一層的往下查詢，直到讀到正確的檔名。下面讓我們通過讀取 /etc/passwd 檔案來理解檔案的讀取過程。

上面的 ls 命令使用 i 選項輸出了 /、 /etc、 /etc/passwd 的 inode 分別為 2、4325377、4329700。
我們通過當前使用者 nick 讀取 /etc/passwd 檔案的內容，其過程如下：

1. / 的 inode 號為 2，許可權資訊允許我們讀取 data block 中的內容(有 r 與 x)
2. / 的 data block 中記錄的 etc/ 目錄的 inode 號為 4325377
3. etc/ 的 inode 中許可權資訊包含 rx，因此使用者 nick 可以讀取 etc/ data block 的內容
4. etc/ 的 data block 中記錄的 passwd 檔案的 inode 號為 4329700
5. 檔案 passwd 的 inode 中許可權資訊包含 r，因此使用者 nick 可以讀取 passwd data block 的內容
6. passwd 的 data block 中的內容被讀取出來