Linux - 通过软硬链接学习inode

你的名字 2022-12-11 03:25 147阅读 0赞

说到软硬链接，首先要了解`inode`是什么，了解了`inode`的结构，会有助于区分软硬链接

# inode #

## inode 内容 ##

在`Linux`系统中，每个文件都有对应的`inode`，而`inode`作为数据索引的标识符，其中包含了一个文件的基本信息，如`inode`编号，修改时间，文件的位置等。所以`linux`中不使用文件名，而是使用`inode`号来识别文件。

通常打开一个文件的步骤也就被系统大致的拆分为三个步骤：

1.  找到目标文件对应的`inode`号
2.  通过`inode`号，获取出`inode`信息
3.  根据获取出的信息，找到文件数据所在的`block`，读取内容

为了更直观得看到`inode`的信息，先新建一个文件，使用`stat`命令查看`inode`相关信息

[root@suhw ~]# touch file.txt 
    [root@suhw ~]# stat file.txt 
      File: ‘file.txt’
      Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
    Device: fd00h/64768d	Inode: 33575038    Links: 1
    Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
    Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
    Access: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Modify: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Change: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
     Birth: -

其中较为关键的几个字段说明如下

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>字段</th> 
   <th>解释</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>File</td> 
   <td>文件名</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>size</td> 
   <td>文件大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Blocks</td> 
   <td>文件所占用的块数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Device</td> 
   <td>文件所在设备号，分别以十六进制和十进制显示</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Inode</td> 
   <td>文件节点号</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Links</td> 
   <td>对应的链接数，有多少个文件名指向该<code>inode</code>（硬链接会增加该值）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### inode 使用情况 ###

`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。

可以通过`df -i`查看`inode`使用情况

[root@suhw ~]# df -i
    Filesystem               Inodes IUsed   IFree IUse% Mounted on
    /dev/mapper/centos-root 8910848 26547 8884301    1% /
    devtmpfs                 998093   369  997724    1% /dev
    tmpfs                   1001108     1 1001107    1% /dev/shm
    tmpfs                   1001108   455 1000653    1% /run
    tmpfs                   1001108    16 1001092    1% /sys/fs/cgroup
    /dev/sda1                524288   327  523961    1% /boot
    tmpfs                   1001108     1 1001107    1% /run/user/0

--------------------

## inode 结构 ##

我们可以简单的将`linux`中的文件看做是 \*\*`inode`\+数据块 \*\*组成。

首先需要了硬盘的最小存储单位叫扇区`(Sector)`，每个扇区能存储大小为512字节`(0.5KB)`，操作系统在读取硬盘时，不会一个一个扇区读，而是一次读取一个块`(block)`， 所以块是文件存取的最小单位。一般常见块的大小为4KB，也就是八个扇区组成的。（以下都默认块大小为4KB）

块大小可以通过如下方式查看，其中`IO Block`就说明了当前块大小为4KB。

[root@suhw ~]# stat /boot/|grep "IO Block"
      Size: 4096      	Blocks: 8          IO Block: 4096   directory

但是`inode`是如何访问到数据块的呢，通过下面计算 最大文件大小 的例子来帮助理解

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### 最大文件大小 ###

接下来讨论`ext3`文件系统下单个文件所能占用最大空间，有些前提条件需要明确：

1.  `ext3`文件系统采用`32bit`的块地址索引空间；
2.  在`inode`条目中，引用一个块空间符号需要`4byte`的大小；
3.  对于一个`inode`来说，设计了12个直接指针索引，一个间接指针索引，一个双间接指针索引，以及一个三间接指针索引。

下图就是`inode`的大体结构示意图。可以从图中看出，`inode`中除了描述了一些文件相关信息外，最主要的就是维护了与数据库之间的索引关系。

![image-20200928105026758][]

我们目前所用的文件系统可归类为“索引式文件系统”，最简单粗暴的设计就是为一个文件所需要的所有`block`建立一个索引表，其中第n个元素就存着第n个块所对应的地址，这样访问任意一个块时，直接索引找到地址进行访问即可。但是当文件很大时，所维护的索引表就会很大，所以有了**间接索引表**的出现。

间接索引表中有15个索引项，前12个地址存放了12个可直接获取地址访问的直接块，这12个块可保存`12*4KB=48KB`的文件；

若文件存储所需大于12个块，就需要建立一个新的一级间接索引表，此时第13个索引就会指向一个新的块，其中存放了`4kb / 4bytes = 1024`个块的地址（块大小为`4KB`，一个指针大小为`4bytes`），通过一级间接索引表，可索引的文件大小已经变为 `(1024+12) * 4kb ≈ 4M`

若文件大小又超过了`1024+12=1036`个块，就又需要第14个索引来指向一个新的块，该块就是所谓的二级间接索引表，存放了1024个一级间接索引表的地址，每个一级简介索引表可以表示`4M`的文件，所以如果使用二级间接索引表最多可表示 `1024*4M = 4G` 大小的文件

同理，当三级间接索引表也使用的时候，最多就可表示 `1024*4G = 4T` 大小的文件。

结论：`ext3`文件系统下，当块大小为`4k`得时候，支持的单个文件大小小最大为 `4TB`

当然通过这个例子也能够简单的了解下`inode`是如何访问到对应文件的数据。接下来进入正题。

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# 硬链接 #

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

## 命令 ##

`ln`默认创建硬链接：

ln 源文件 目标文件

## 示例 ##

1.  先创建`file.txt`文件观察`inode`信息

1.  给`file.txt`创建硬链接`hardlink`

[root@suhw ~]# ln file.txt hardlink

1.  分别打印源文件和目标文件的`inode`信息

[root@suhw ~]# stat file.txt 
      File: ‘file.txt’
      Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
    Device: fd00h/64768d	Inode: 33575038    Links: 2
    Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
    Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
    Access: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Modify: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Change: 2020-09-27 15:38:07.529000000 +0800
     Birth: -
     
    [root@suhw ~]# stat hardlink 
      File: ‘hardlink’
      Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
    Device: fd00h/64768d	Inode: 33575038    Links: 2
    Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
    Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
    Access: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Modify: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Change: 2020-09-27 15:38:07.529000000 +0800
     Birth: -

会发现，添加完硬链接后，只有链接数加了1，剩下的所有内容都保持不变

1.  删除源文件，观察硬链接文件

[root@suhw ~]# rm -rf file.txt 
    [root@suhw ~]# stat hardlink 
      File: ‘hardlink’
      Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
    Device: fd00h/64768d	Inode: 33575038    Links: 1
    Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
    Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
    Access: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Modify: 2020-09-27 09:53:29.477000000 +0800
    Change: 2020-09-27 15:42:29.895000000 +0800
     Birth: -

此时会发现删除文件，只会将链接数减1，当链接数为0时，系统就会回收对应的`block`

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# 软链接 #

软连接就如同`windows`中的快捷方式，虽然文件A和文件B的`inode`号虽然不一样，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`号码，文件B的`inode`"链接数"不会因此发生变化。

## 命令 ##

通过`ln -s`命令可以创建软链接。

ln -s 源文文件或目录 目标文件或目录

## 示例 ##

1.  新建`file.txt`并查看`inode`信息

1.  创建软链接

[root@suhw ~]# ln -s file.txt softlink

1.  对比软链接文件和源文件的`inode`信息

[root@suhw ~]# stat file.txt 
      File: ‘file.txt’
      Size: 0         	Blocks: 0          IO Block: 4096   regular empty file
    Device: fd00h/64768d	Inode: 33575038    Links: 1
    Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
    Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
    Access: 2020-09-27 15:49:09.338000000 +0800
    Modify: 2020-09-27 15:49:09.338000000 +0800
    Change: 2020-09-27 15:49:09.338000000 +0800
     Birth: -
    [root@suhw ~]# stat softlink 
      File: ‘softlink’ -> ‘file.txt’
      Size: 8         	Blocks: 0          IO Block: 4096   symbolic link
    Device: fd00h/64768d	Inode: 33575039    Links: 1
    Access: (0777/lrwxrwxrwx)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
    Context: unconfined_u:object_r:admin_home_t:s0
    Access: 2020-09-27 15:49:49.162000000 +0800
    Modify: 2020-09-27 15:49:36.821000000 +0800
    Change: 2020-09-27 15:49:36.821000000 +0800
     Birth: -

会发现创建软链接并不会增加源文件的链接数，并且`inode`号也不相同

1.  删除源文件，查看软链接文件

[root@suhw ~]# rm -rf file.txt 
    [root@suhw ~]# cat softlink 
    cat: softlink: No such file or directory

验证了之前所说的，由于已经删除了源文件，当我们通过软链接再访问源文件时，就会报已经没有对应文件了。

1.  在当前目录重新新建`file.txt`，再次打开软链接文件

[root@suhw ~]# touch file.txt
    [root@suhw ~]# cat softlink 
    [root@suhw ~]#

又证实了软链接存储的是目标文件的路径。

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# 补充 #

## 通过`inode`号删除文件 ##

有时，文件名包含特殊字符，无法正常删除。这时，直接删除`inode`节点，就能起到删除文件的作用。

[root@suhw ~]# ll -i
    33575038 -rw-r--r--. 1 root root    5 Sep 28 10:53 file.txt
    [root@suhw ~]# find ./* -inum 33575038 -delete