【转】Linux inode详解

最新推荐文章于 2025-03-14 10:28:21 发布

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分类专栏： Linux基础驱动学习

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1.内核中的inode数据结构(LDD3，chapter3-3.3)

struct inode {
    umode_t         i_mode;//文件的访问权限（eg:rwxrwxrwx）
    unsigned short      i_opflags;
    kuid_t          i_uid;//inode拥有者id
    kgid_t          i_gid;//inode拥有者组id
    unsigned int        i_flags;//inode标志，可以是S_SYNC,S_NOATIME,S_DIRSYNC等

#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
    struct posix_acl    *i_acl;
    struct posix_acl    *i_default_acl;
#endif

    const struct inode_operations   *i_op;//inode操作
    struct super_block  *i_sb;//所属的超级快
    /*
        address_space并不代表某个地址空间，而是用于描述页高速缓存中的页面的一个文件对应一个address_space，一个address_space与一个偏移量能够确定一个一个也高速缓存中的页面。i_mapping通常指向i_data,不过两者是有区别的，i_mapping表示应该向谁请求页面，i_data表示被改inode读写的页面。
    */
    struct address_space    *i_mapping;

#ifdef CONFIG_SECURITY
    void            *i_security;
#endif

    /* Stat data, not accessed from path walking */
    unsigned long       i_ino;//inode号
    /*
     * Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the
     * following functions for modification:
     *
     *    (set|clear|inc|drop)_nlink
     *    inode_(inc|dec)_link_count
     */
    union {
        const unsigned int i_nlink;//硬链接个数
        unsigned int __i_nlink;
    };
    dev_t           i_rdev;//如果inode代表设备，i_rdev表示该设备的设备号
    loff_t          i_size;//文件大小
    struct timespec     i_atime;//最近一次访问文件的时间
    struct timespec     i_mtime;//最近一次修改文件的时间
    struct timespec     i_ctime;//最近一次修改inode的时间
    spinlock_t      i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
    unsigned short          i_bytes;//文件中位于最后一个块的字节数
    unsigned int        i_blkbits;//以bit为单位的块的大小
    blkcnt_t        i_blocks;//文件使用块的数目

#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
    seqcount_t      i_size_seqcount;//对i_size进行串行计数
#endif

    /* Misc */
    unsigned long       i_state;//inode状态，可以是I_NEW,I_LOCK,I_FREEING等
    struct mutex        i_mutex;//保护inode的互斥锁

    //inode第一次为脏的时间 以jiffies为单位
    unsigned long       dirtied_when;   /* jiffies of first dirtying */

    struct hlist_node   i_hash;//散列表
    struct list_head    i_wb_list;  /* backing dev IO list */
    struct list_head    i_lru;      /* inode LRU list */
    struct list_head    i_sb_list;//超级块链表
    union {
        struct hlist_head   i_dentry;//所有引用该inode的目录项形成的链表
        struct rcu_head     i_rcu;
    };
    u64         i_version;//版本号 inode每次修改后递增
    atomic_t        i_count;//引用计数
    atomic_t        i_dio_count;
    atomic_t        i_writecount;//记录有多少个进程以可写的方式打开此文件
    const struct file_operations    *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
    struct file_lock    *i_flock;//文件锁链表
    struct address_space    i_data;
#ifdef CONFIG_QUOTA
    struct dquot        *i_dquot[MAXQUOTAS];//inode磁盘限额
#endif
    /*
        公用同一个驱动的设备形成链表，比如字符设备，在open时，会根据i_rdev字段查找相应的驱动程序，并使i_cdev字段指向找到的cdev，然后inode添加到struct cdev中的list字段形成的链表中
    */
    struct list_head    i_devices;，
    union {
        struct pipe_inode_info  *i_pipe;//如果文件是一个管道则使用i_pipe
        struct block_device *i_bdev;//如果文件是一个块设备则使用i_bdev
        struct cdev     *i_cdev;//如果文件是一个字符设备这使用i_cdev
    };

    __u32           i_generation;

#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
   //目录通知事件掩码
    __u32           i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */
    struct hlist_head   i_fsnotify_marks;
#endif

#ifdef CONFIG_IMA
    atomic_t        i_readcount; /* struct files open RO */
#endif
    //存储文件系统或者设备的私有信息
    void            *i_private; /* fs or device private pointer */
};

2. 代表文件的inode

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操作系统的文件数据除了实际内容之外，通常含有非常多的属性，例如Linux操作系统的文件权限与文件属性。文件系统通常会将这两部分内容分别存放在inode和block中。

inode 和 block 概述#

文件是存储在硬盘上的，硬盘的最小存储单位叫做扇区sector，每个扇区存储512字节。操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区地读取，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。

文件数据存储在块中，那么还必须找到一个地方存储文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种存储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。

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。

stat#

查看inode信息

[root@localhost ~]# mkdir test
[root@localhost ~]# echo "this is test file" > test.txt
[root@localhost ~]# stat test.txt
File: ‘test.txt’
Size: 18              Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: fd00h/64768d    Inode: 33574994    Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
Access: 2019-08-28 19:55:05.920240744 +0800
Modify: 2019-08-28 19:55:05.920240744 +0800
Change: 2019-08-28 19:55:05.920240744 +0800
Birth: -

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。

file#

查看文件类型

[root@localhost ~]# file test
test: directory
[root@localhost ~]# file test.txt
test.txt: ASCII text

inode 号码#

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。

ls -i#

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。

[root@localhost ~]# ls -i
33574991 anaconda-ks.cfg      2086 test  33574994 test.txt

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。

df -i#

查看硬盘分区的inode总数和已使用情况

[root@localhost ~]# df -i
Filesystem               Inodes IUsed   IFree IUse% Mounted on
/dev/mapper/centos-root 8910848 26029 8884819    1% /
devtmpfs                 230602   384  230218    1% /dev
tmpfs                    233378     1  233377    1% /dev/shm
tmpfs                    233378   487  232891    1% /run
tmpfs                    233378    16  233362    1% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1                524288   328  523960    1% /boot
tmpfs                    233378     1  233377    1% /run/user/0

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；

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。

demo:

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

[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。

[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。

[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。

[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。

[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。

[root@localhost ~]# touch /data/newfile.txt
touch: cannot touch ‘/data/newfile.txt’: No space left on device

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。

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。

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。

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。

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。