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。
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 lock。
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。
要查看 inode 信息,我们可以使用 stat 命令。我们首先在终端上使用 echo 命令,创建一个文件,并写入内容:
echo "this is test file" > test.txt
接着,我们使用 stat 命令,查看文件的 inode 信息,具体命令如下:
stat test.txt
执行完毕后,如下图所示:
三个主要的时间属性:
使用 file 命令,查看文件的类型:
file test.txt
执行完毕后,如下图所示:
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:
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。
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。
ls -i test.txt
执行完毕后,如下图所示:
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。
查看硬盘分区的 inode 总数和已使用情况
df -i
执行完毕后,如下图所示:
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。
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
移动文件或重命名文件,只是改变文件名,不影响 inode 号码;
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。
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:
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
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
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
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
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
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
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。
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。
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。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 号码,文件 B 的 inode 链接数不会因此发生变化。