深入讲解 linux 中 inode、硬链接、软链接的原理

inode定义

inode 是 linux 系统中用作数据索引的标识符。
简单来说，inode 指示了一个文件的基本信息，如inode编号、修改时间、文件的位置等，就如同一本书的目录，会直接告诉你想看的章节是在第几页。不同的是，书是以页为单位的，而 linux 文件存取是以“块”为单位的。
操作系统在读取硬盘的时候，会一次性读取一个“块”（一个“块”的大小往往是4KB，包含了连续8个扇区，每个扇区存储512个字节）。而inode就告诉了文件位于哪个“块”，于是系统就会从这个“块”开始读取内容，我们就可以看到这个文件的内容。
每个文件都有对应的inode，存储着关于这个文件的基本信息。linux 系统不使用文件名，而使用 inode 号来识别文件。对于使用者，我们是通过文件名打开的文件；但是对于系统内部，是分为三步的：

1. 系统找到这个文件名对应的 inode 号
2. 通过 inode 号，获取 inode 信息
3. 根据 inode 信息，找到文件数据所在的 block，读取内容

inode内容

inode 包含了文件的以下基本信息：

• 文件的字节数
• inode 编号
• 文件拥有者的 Uid
• 文件所属group的 Gid
• 文件的读、写、执行权限
• 文件的时间戳，共有三个：
  • change：inode 上一次变动的时间
  • modify：文件内容上一次变动的时间
  • access：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

我们可以使用 stat 命令来查看文件的 inode 信息，如：

$ stat v0.1.0.zip 
  File: ‘v0.1.0.zip’
  Size: 94267     	Blocks: 192        IO Block: 4096   regular file
Device: 811h/2065d	Inode: 5659765     Links: 1
Access: (0640/-rw-r-----)  Uid: ( 3457/mart_bda)   Gid: ( 3457/mart_bda)
Access: 2018-06-12 14:22:18.434027485 +0800
Modify: 2018-06-12 14:18:00.840994081 +0800
Change: 2018-06-12 14:18:00.840994081 +0800
 Birth: -

也可以在 ls 后加上 -i 直接获取 incode 编号：

$ ls -i v0.1.0.zip 
5659765 v0.1.0.zip

inode大小

inode存储了文件的基本信息，虽然信息很少，但是也会占用空间。
硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分为两个区域：

• 数据区：存放文件内容
• inode 区：存放 inode 包含的信息，也叫作 inode table

每个 inode 节点的大小，一般是 128 字节或 256 字节。inode 节点的总数，在硬盘格式化时就固定了。一般，数据区每1KB 或 2KB，inode区就会增加一个 inode。假如在一块 1GB 的硬盘中，每个 inode 节点的大小为 128 字节，那么 inode 表的大小就会达到 128 MB，占整块硬盘的 12.8%。
既然 inode 节点总数是有限的，那么分区的节点数就有用完的时候，一旦 inode 用完了，即使磁盘空间还有剩余，也不能再存放任何数据，因为需要保证每个文件必须有一个 inode。
查看每个硬盘分区的 inode 或者磁盘容量的使用情况，可以使用 df 命令加上参数 -i 或者 -h，如：

$ df -i
Filesystem        Inodes   IUsed     IFree IUse% Mounted on
/dev/sda5      275436544  801853 274634691    1% /
devtmpfs         8192960     524   8192436    1% /dev
tmpfs            8195307       4   8195303    1% /dev/shm
tmpfs            8195307     765   8194542    1% /run
tmpfs            8195307      13   8195294    1% /sys/fs/cgroup
/dev/sda2         204800     342    204458    1% /boot
/dev/sdb1       11443200 3329257   8113943   30% /data0
tmpfs            8195307       1   8195306    1% /run/user/0
tmpfs            8195307       1   8195306    1% /run/user/3457
$ df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/sda5       263G  134G  130G  51% /
devtmpfs         32G     0   32G   0% /dev
tmpfs            32G   12K   32G   1% /dev/shm
tmpfs            32G  394M   31G   2% /run
tmpfs            32G     0   32G   0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda2       197M  139M   58M  71% /boot
/dev/sdb1        11T  5.2T  5.2T  51% /data0
tmpfs           6.3G     0  6.3G   0% /run/user/0
tmpfs           6.3G     0  6.3G   0% /run/user/3457

关于 df -h -i 的区别，可以参考 Linux df命令。

文件操作对 inode 的影响

要理解文件的操作对 inode 的影响，先要理解目录的原理。目录对外表现是一个容器，存放着子文件和子目录，实际上在系统内部，目录本身也是一个文件，目录文件的内容即是该目录下的文件名与 inode 号的映射表（即一个个的目录项）。因此，linux 访问一个文件时，要先查询到上一级目录，根据目录内容查找到文件对应的 inode 号，然后读取对应的 block。
###cp 命令
系统内部会执行以下操作：

1. 分配一个未被使用的 inode 号，在 inode 表中新添一个项目。

如果是覆盖复制，则 inode 号不变，沿用之前同名文件的 inode 号。

2. 在目录中新建一个目录项，并指向步骤 1 中的 inode。
3. 把数据复制到 block 中。

rm 命令

系统内部会执行以下操作：

1. 减少待删除文件名所对应的 inode 的链接数量，如果链接数变为0，则释放 inode，同时数据块放到可用空间中（对外表现为数据已删除，因为随时可以覆盖。如果没有覆盖，数据还可以恢复；一旦覆盖了，那么删除的数据无法恢复。）。
2. 删除目录中的目录项。

mv 命令

一、如果目标文件和源文件属于同一个文件系统：

1. 在目标文件的目录中新建目录项
2. 删除源文件的目录中的目录项
3. 目标文件名会指向源文件名的 inode。因此该操作对 inode 没有影响（除了时间戳），对数据的位置也没有影响，不移动任何数据。

二、如果目标文件和源文件属于不同文件系统，则相当于 cp + rm。

ln 命令

一、硬链接
一般情况下，文件名和 inode 号是一一对应，但是也有可能多个文件名指向同一个 inode 号，即硬链接。硬链接可以实现用不同的文件名访问同一个文件；对文件内容修改，会影响到所有的文件名；但是，删除一个文件名，不影响其他文件名的访问。
创建硬链接的命令：

ln [source file] [new file]

如：

$ ll -h -i
total 479M
5659849 -rw-r----- 1 mart_bda mart_bda 479M Jun 13 10:57 test_file
$ ln test_file test_file_hardlink
$ ll -i -h
total 957M
5659849 -rw-r----- 2 mart_bda mart_bda 479M Jun 13 10:57 test_file
5659849 -rw-r----- 2 mart_bda mart_bda 479M Jun 13 10:57 test_file_hardlink

这样，两个文件的 inode 号均为 5659849。具体查看两个文件的 inode 内容：

$ stat test_file
  File: ‘test_file’
  Size: 501577774 	Blocks: 979656     IO Block: 4096   regular file
Device: 811h/2065d	Inode: 5659849     Links: 2
Access: (0640/-rw-r-----)  Uid: ( 3457/mart_bda)   Gid: ( 3457/mart_bda)
Access: 2018-06-13 10:57:13.961409755 +0800
Modify: 2018-06-13 10:57:14.931383436 +0800
Change: 2018-06-13 10:58:11.382851699 +0800
 Birth: -
$ stat test_file_hardlink 
  File: ‘test_file_hardlink’
  Size: 501577774 	Blocks: 979656     IO Block: 4096   regular file
Device: 811h/2065d	Inode: 5659849     Links: 2
Access: (0640/-rw-r-----)  Uid: ( 3457/mart_bda)   Gid: ( 3457/mart_bda)
Access: 2018-06-13 10:57:13.961409755 +0800
Modify: 2018-06-13 10:57:14.931383436 +0800
Change: 2018-06-13 10:58:11.382851699 +0800
 Birth: -

可以看到，两个文件的 inode 内容完全相同，且 Links 变成了 2。修改任何一个文件名的内容，另一个文件名的内容也会同时改变，因为访问的就是硬盘中的同一块数据。
如果再将 test_file_hardlink 删掉，会使得 Links 变回 1。当这个值减到 0 时，说明没有文件名指向这个 inode，系统就会回收这个号码，以及所对应的 block 区域。
另外，对于目录的链接数，创建一个目录时，默认会生成两个目录项：. 和 ..。前者的 inode 号就是当前目录的 inode 号，等同于当前目录的硬链接；后者的 inode 号是父目录的 inode 号，等同于父目录的硬链接。因此，任何一个目录的硬链接总数，总是等于 2 加上它的子目录总数（含隐藏目录，且除去. 和 ..）。

二、软链接（符号链接）
软链接也可以通过不同的文件名访问同一块数据，但是与硬链接不同的是，两个文件名的 inode 是不一样的。那如何访问同一块区域呢？比如文件 A 是文件 B 的软连接，那么文件 A 的内容存放的是文件 B 的路径名（可以通过这个找到文件 B 的目录项）。因此访问 A 时，会读取文件 B 的路径，进而读取文件 B 的内容。这样，对外表现来看，文件 A 和文件 B 的内容就相同了。类似于 windows 系统下的快捷方式。
建立软链接的命令：

ln -s [source file] [new file]

如：

$ ll
total 489824
-rw-r----- 1 mart_bda mart_bda 501577774 Jun 13 11:21 test_file
$ ln -s test_file test_file_soft
$ ll -h -i
total 479M
5659853 -rw-r----- 1 mart_bda mart_bda 479M Jun 13 11:21 test_file
5659854 lrwxrwxrwx 1 mart_bda mart_bda    9 Jun 13 11:22 test_file_soft -> test_file

如果是对文件夹建立软链接，则为

ln -s /tmp/test_directory ./

会自动地在当前目录建立一个文件夹 test_directory ，并指向 /tmp/test_directory

可以看到，两个文件的 inode 号是不同的。
既然文件 A 是依赖文件 B 存在的，那么如果删除了文件 B，打开文件 A 就会报错：No such file or directory；如果删除了文件 A，则对文件 B 的打开无影响，因为只是删除了“快捷方式”而已。
软连接的建立，不会影响到文件 B 的 inode 的任何信息，包括 Links。

三、硬链接和软链接的不同

1. 本质不同：硬链接是指向同一个文件，软链接指向的不是同一个文件。
2. 删除时：硬链接不受影响，软链接失效
3. 创建链接时：创建硬链接链接数加1，创建软链接连接数不变
4. 是否可以跨分区：硬链接不可以跨分区，软链接可以跨分区
5. 目录是否可以创建链接：硬链接不可以对目录创建，软链接可以对目录创建
6. 硬链接的inode号相同，软链接inode号不同

四、硬链接和软链接的占用空间分析

大家可能注意到了，对于同一个 test_file（大小为 479M），建立硬链接后，目录的整体空间占用为 total 957M，而建立软链接后，目录的整体占用空间仍为 479M。既然硬链接指向的是同一块数据，那么就不会开辟新的空间去复制一份，应该是不占用空间的啊？为什么空间占用会加倍呢？这个问题，可以参考关于硬链接与软连接占用磁盘空间问题的分析研究。