Linux目录与inode 深入理解

1. 关于Linux目录，文件，数据块
对于使用计算机的人而言，经常有一种 错误的认知：目录(或者说，文件夹)里面存放着文件。实际上，目录里面并不存放文件，以及文件数据。
实际上，目录是一个特殊的文件，针对这个特殊的文件也存在一些特殊的规则，比如利用命令cp /dev/null <your directory>并不能够销毁这个特殊的文件，因为目录的一些特殊的比特位保证了这一安全性，降低了人工操作带来的风险。在一些老版本的Unix系统里面，用户可以利用cat命令打开目录，查看里面的信息，在一些衍生于Debian系统的发行版Linux里面，也可以利用vi工具打开目录，查看一些信息。
在Linux里面，一个文件的信息被存放于两个位置：

1. 数据块(data block)当中
2. inode当中

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）。操作系统读取磁盘的时候，不会一个个扇区“挨个读取”，而是一次读取多个扇区，即一次读取一个“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。data block当中存放了文件的真实内容，而文件的元数据信息，被存放到了inode当中。data block和inode被文件系统有效地组织到了一起。
当文件系统被创建之后，inode的数量以及data block的数量也被固定下来。我们不能够修改inode的数量，也不能够修改data block的数量。
当我们创建一个文件的时候，inode编号将作为该文件的唯一id，即，一个文件在同一时刻仅拥有一个inode编号。当我们向一个文件写入内容的时候，数据被存放到了data block当中。而该文件的文件名，被存放到了该文件所在的目录文件当中。
对于目录这种“特殊的文件”，可以简单地理解为是一张表，这张表里面存放了隶属于该目录的文件的文件名，以及所匹配的inode编号。
因此，在linux里面，文件被“拆分”到了3个地方，索引存于inode，文件名存于目录，数据存于data block。

2. 关于硬链接以及复制
基于上述内容对于目录的描述，可以比较容易解释linux里面的另外一个重要的概念: hard link(硬链接)。
对于文件而言，真正的ID是inode编号，而并非文件名。回忆一下目录文件: 一张含有文件名和inode编号的表。在这张表里面，我们暂定用一个如下结构表示一个文件: [directory : (filename, inode_number)]，这里以/etc/passwd文件举例，假设其inode编号为123456(确实有点儿假……)，则可以写为[/etc/ : (passwd, 123456)]，假设我们在终端上面键入了如下命令:
[root@CentOS7-front1 ~]# ln /etc/passwd /root/hard_link_passwd则会在/root目录下面出现一个新的文件名，叫做hard_link_passwd。如果用上述结构表示这个文件，则为[/root/ : (hard_link_passwd, 123456)]，因此，这种目录或文件名不同，但是inode编号相同的文件，称为硬链接。由于硬链接inode编号相同，而且对于同一个inode结构体，便会拥有相同的地址映射以及相同的块设备链表。因此，对于用户空间而言，修改/etc/passwd，就相当于修改了/root/hard_link_passwd，反之亦然。
同样基于上述内容对于目录的描述，针对i_device相同的mv操作，仅仅是删除了原目录里面对应的[directory : (filename, inode_number)]，并且在目标目录新建了另一个[directory : (filename, inode_number)]，由于并没有对于data block的任何操作，因此速度很快。

3. 初步查看inode
利用ls -i命令可以查看到当前目录下面的所有文件的inode编号，注意inode编号仅仅是inode结构体里面的一项，并不代表inode全部，下面截取/etc/目录下的前5个文件：
[root@centos7-front1 etc]# ls -i | head -n 5
  768684 abrt
 34370879 adjtime
 33554592 aliases
 35506331 aliases.db
100705463 alternatives

利用stat命令可以查看一个文件更加详细的inode信息，包括inode编号，占用的块数量，块大小，硬链接个数，atime, mtime, ctime, ……下面用stat命令查看/etc目录(如上文所说，目录也是一种特殊的文件)
[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: -

从上述结果中，我们可以看出，针对/etc目录而言，其大小为8192kb，为该目录下的文件所分配的块数量为24个，类型为directory，设备名称为803h/2051d，其Inode编号为33554561，其硬链接个数为85个,权限为0755，Uid和Gid均为0，还有atime, mtime, ctime这些信息。
当然，利用stat命令查到的某个文件的inode信息并不是全部的inode结构体里面的信息。内核使用的inode结构体如下所示：
struct inode {
        struct hlist_node      i_hash;      // 哈希表 */
        struct list_head        i_list;        // 索引节点链表 */
        struct list_head        i_dentry;    // 目录项链表 */
        unsigned long          i_ino;      // 节点号 */
        atomic_t                i_count;      // 引用记数 */
        umode_t                i_mode;        // 访问权限控制 */
        unsigned int            i_nlink;            // 硬链接数 */
        uid_t                  i_uid;              // 使用者id */
        gid_t                  i_gid;              // 使用者id组 */
        kdev_t                  i_rdev;              // 实设备标识符 */
        loff_t                  i_size;              // 以字节为单位的文件大小 */
        struct timespec        i_atime;            // 最后访问时间 */
        struct timespec        i_mtime;            // 最后修改(modify)时间 */
        struct timespec        i_ctime;            // 最后改变(change)时间 */
        unsigned int            i_blkbits;          // 以位为单位的块大小 */
        unsigned long          i_blksize;          // 以字节为单位的块大小 */
        unsigned long          i_version;          // 版本号 */
        unsigned long          i_blocks;            // 文件的块数 */
        unsigned short          i_bytes;            // 使用的字节数 */
        spinlock_t              i_lock;              // 自旋锁 */
        struct rw_semaphore    i_alloc_sem;        // 索引节点信号量 */
        struct inode_operations *i_op;              // 索引节点操作表 */
        struct file_operations  *i_fop;              // 默认的索引节点操作 */
        struct super_block      *i_sb;              // 相关的超级块 */
        struct file_lock        *i_flock;            // 文件锁链表 */
        struct address_space    *i_mapping;          // 相关的地址映射 */
        struct address_space    i_data;              // 设备地址映射 */
        struct dquot            *i_dquot[MAXQUOTAS]; // 节点的磁盘限额 */
        struct list_head        i_devices;          // 块设备链表 */
        struct pipe_inode_info  *i_pipe;            // 管道信息 */
        struct block_device    *i_bdev;            // 块设备驱动 */
        unsigned long          i_dnotify_mask;      // 目录通知掩码 */
        struct dnotify_struct  *i_dnotify;          // 目录通知 */
        unsigned long          i_state;            // 状态标志 */
        unsigned long          dirtied_when;        // 首次修改时间 */
        unsigned int            i_flags;            // 文件系统标志 */
        unsigned char          i_sock;              // 可能是个套接字吧 */
        atomic_t                i_writecount;        // 写���记数 */
        void                    *i_security;        // 安全模块 */
        __u32                  i_generation;        // 索引节点版本号 */
        union {
                void            *generic_ip;        // 文件特殊信息 */
        } u;
};

4. inode使用情况以及大小
inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，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（inode table），存放inode所包含的信息。
每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。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。
[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

查看某个分区的文件系统所分配的单个inode节点的大小，在ext文件系统下，可以使用dumpe2fs命令，例如CentOS6系统上，针对/dev/sda3分区：
[root@maCentos6 ~]# dumpe2fs -h /dev/sda3 | grep -i "inode size"
dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010)
Inode size:              256

在xfs文件系统下，可以使用xfs_info命令，例如CentOS7系统上，针对/dev/sda3分区：
[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