Linux 系统编程：文件系统的底层逻辑

《Linux 程序设计》的第三章讲文件操作。在提到 目录 时有这么一段文字：

文件，除了本身包含的 内容 以外，它还会有一个 名字 和一些 属性，即“管理信息”，包括文件的创建 / 修改日期和它的访问权限。这些属性被保存在文件的 inode 中，它是文件系统中的一个特殊数据库，它同时还包含文件的长度和文件在磁盘上存放的位置。系统使用的是文件的 inode 编号，目录结构为文件命名仅仅是为了便于人们使用。

目录 是用于保存其他文件的 节点号 和 名字 的文件。目录文件中的每个数据项都是指向某个文件节点的链接，删除文件名就等于删除与之对应的链接。你可以通过使用 ln 命令在不同的目录中创建指向同一个文件的链接。

刚开始，我不能清晰的理解这两段内容，特别是 inode 。所以我查找了 inode 的资料，发现它是一个重要的基础概念。当我深入了解了 inode 之后，我甚至觉得它是学好 Linux 文件系统的关键。

什么是 inode

当 Linux 创建文件时，会完成两件事情。第一，Linux 在存储设备上保留一块空间用来存储数据。第二，Linux 创建一个称为 索引节点 (index node，简称 inode) 的接口，用来存放文件的属性信息。每一个文件都有对应的 inode ，具体有以下内容：

文件大小，以字节为单位
包含该文件的设备名称
属主的用户标识(Uid)
组标识(Gid)
文件的权限
文件时间戳，共 3 个：inode 上一次修改时间(ctime)、文件上一次修改时间(mtime)、文件上一次访问时间(atime)
指向该文件的链接数
文件类型(普通、目录、特殊、符合连接等)
分配给该文件的块数

需要解释下最后一条：“分配给文件的块数”。文件都存储在 块 中：文件存储的物理介质，比如硬盘，最小存储单位叫做 扇区(sector)，每个扇区存储 512 字节。操作系统读取硬盘时，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，即读取一个 块 (block)。文件存取的最小单位就是块，最常见一个块是 4KB 。

文件系统将所有的 inode 存放在一个大表中，这个表称为 inode 表。在 inode 表中，每个 inode 由唯一编号表示。使用命令 stat 可以查看文件的 inode 信息，比如：
在这里插入图片描述
其中红圈中的数字就是 inode 的编号。
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，存放 inode 所包含的信息。在我的 Ubuntu 20.4 系统中，一个 inode 占用 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。因此有可能发生 inode 已经用光，但是硬盘还未存满的情况。这时，就无法在硬盘上创建新文件。

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 -i 命令。df 是 disk free-space (磁盘可用空间) 的简称。
在这里插入图片描述
需要注意的是，inode 信息中并没有文件的文件名。下面解释为什么会这样。

当处理目录时，就好像目录实际包含文件一样。例如 home 目录中有 tmp.txt 文件。但是，该目录中并不包含文件。实际上，该目录只包含有文件的名称和文件的 inode 编号。因此，目录的大小相当小。

下面举例说明。当在 home 目录中创建文件 tmp.txt 文件时，首先，系统在硬盘上保留存放该文件的存储空间。接下来，系统查看 inode 表，查找一个空闲的 inode。假设系统查找到的 inode 编号是 #1000，系统会将 tmp.txt 文件的属性信息填到这个 inode 中。最后，系统在 home 目录中存放一个条目。该条目包含名称 tmp.txt ，以及一个编号为 1000 的inode 号。

每当程序需要使用文件时，表面上通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：首先，系统找到这个文件名对应的 inode 编号；其次，通过 inode 编号，获取 inode 信息；最后，根据 inode 信息访问文件即可。

文件名和 inode 之间的连接称为链接。从概念上讲，链接将文件名和文件本身连接起来。系统使用的是文件的 inode 编号，目录结构为文件命名仅仅是为了便于人们使用。这就是为什么 inode 不包含文件名的原因。

实际上，一个 inode 可以由不止一个文件名引用，换句话说，就是一个文件可以有不止一个名称。这称为 多重链接 。

创建新链接：ln

硬链接

一般情况下，文件名和 inode 编码是"一一对应"关系，每个 inode 编码对应一个文件名。但是，Unix/Linux系统允许多个文件名指向同一个 inode 编码。

这意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容；对文件内容进行修改，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。这种情况就被称为"硬链接"（hard link）。

每当创建文件时，文件系统都会自动在文件名和文件之间创建一个链接。如果希望为已有文件创建一个新链接，使用 ln 命令。以下命令都是创建硬链接：

ln tmp.txt new_name.txt：本来只有 tmp.txt 文件，现在 new_name.txt 和 tmp.txt 指向同一个文件。
ln /home/desktop/tmp.txt /etc：目录 etc 中也会有 tmp.txt，修改 etc 目录中的 tmp.txt 文件的内容，在 home/desktop 目录下的 tmp.txt 文件内容也会跟着修改。

软连接

硬链接允许为同一个文件指定不止一个名称。但是这样的链接有两个限制：

不能为目录创建链接。
不能为不同文件系统中的文件创建链接

为了实现不同文件系统中的目录或文件链接时，需要创建 符号连接 (symbol link)。使用带 -s 选项的 ln 命令。符号链接包含的不是文件的 inode 编号，而是原文件的路径名。每当访问符号链接时，系统借助该路径名查找文件(类似于 Windows 中的快捷方式)。

当使用 ls -l 显示符号链接文件时，需要注意：

文件类型指示符(最左边的字符) 是小写的 l，表示 link，链接。
实际的符号链接在输出行的右边显示 (下图红框内)

注意符号链接文件的大小是 10 字节，这恰好是存储路径名占用的大小。如果要查看文件本身的长列表，必须指定实际的路径名：ls -l ../tmp.txt 。

这种链接方式称为软连接。文件 A 和文件 B 的 inode 编码虽然不一样，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。因此，无论打开哪一个文件，最终读取的都是文件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）。

这意味着，文件 A 依赖于文件 B 而存在，如果删除了文件 B，打开文件 A 就会报错：“No such file or directory”。这是软链接与硬链接最大的不同：文件 A 指向文件 B 的文件名，而不是文件 B 的 inode 编码，文件 B 的 inode "链接数"不会因此发生变化。

基本文件命令的底层逻辑

创建文件：touch，创建目录：mkdir

创建新文件或目录时，Linux 会留出相应的存储空间并创建 inode。然后 Linux 在适当的目录中记录一条新条目，内容是新创建的文件名和 inode 编号。

复制文件：cp

复制已有文件时，Linux 用源文件的内容替换目标文件的内容。但是 inode 编号并不进行修改。
复制不存在的文件时，Linux 首先用新文件自己的 inode 编号创建一个全新的文件。然后将旧文件的内容复制到新文件中。在复制之后，将会有两个相同的文件。老文件名对应于老的 inode 编号，新的文件名对应于新的 inode 编号。