inode

inode 是什么

理解 inode，要从文件储存说起。文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做”扇区”（Sector）。每个扇区储存512字节（相当于0.5KB）。

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。

文件数据都储存在”块”中，那么很显然，我们还必须找到一个地方储存文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做 inode，中文译名为”索引节点“。

每一个文件都有对应的 inode，里面包含了与该文件有关的一些信息。

inode 的内容

inode包含文件的元信息，具体来说有以下内容：

• 文件的字节数
• 文件拥有者的 User ID
• 文件的 Group ID
• 文件的读、写、执行权限
• 文件的时间戳，共三个：ctime 指 inode 上一次变动的时间，mtime 指文件内容上一次变动的时间，atime 指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

可以用 stat 命令，查看某个文件的 inode 信息：

$ stat config.development.json
  File: config.development.json
  Size: 443       	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: fd01h/64769d	Inode: 1181962     Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/    aluo)   Gid: ( 1000/    aluo)
Access: 2018-03-15 16:46:56.269161659 +0800
Modify: 2018-03-08 11:43:45.616793389 +0800
Change: 2018-03-08 11:43:45.616793389 +0800
 Birth: 2018-03-08 11:03:31.230746498 +0800

总之，除了文件名以外的所有文件信息，都存在 inode 之中。至于为什么没有文件名，下文会有详细解释。

inode 的大小

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（inode table），存放 inode 所包含的信息。

每个 inode 节点的大小，一般是128字节或256字节。inode 节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB 或每2KB 就设置一个 inode。假定在一块1GB 的硬盘中，每个 inode 节点的大小为128字节，每1KB 就设置一个 inode，那么 inode table 的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

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 命令。

$ df -i
Filesystem      Inodes  IUsed   IFree IUse% Mounted on
devtmpfs        228781    312  228469    1% /dev
tmpfs           232608      7  232601    1% /dev/shm
tmpfs           232608    519  232089    1% /run
tmpfs           232608     17  232591    1% /sys/fs/cgroup
/dev/vda1      3276800 476211 2800589   15% /
tmpfs           232608      8  232600    1% /run/user/0

查看每个 inode 节点的大小，可以用如下命令：

$ dumpe2fs -h /dev/vda1 | grep "Inode size"
dumpe2fs 1.45.6 (20-Mar-2020)
Inode size:	          256

由于每个文件都必须有一个 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。

inode 号码

每个 inode 都有一个号码，操作系统用 inode 号码来识别不同的文件。

这里值得重复一遍，Unix/Linux 系统内部不使用文件名，而使用 inode 号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是 inode 号码便于识别的别称或者绰号。

表面上，用户通过文件名，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 号码；其次，通过 inode 号码，获取 inode 信息；最后，根据 inode 信息，找到文件数据所在的 block，读出数据。

使用 ls -i 命令，可以看到文件名对应的 inode 号码：

$ ls -i config.development.json 
1181962 config.development.json

目录文件

Unix/Linux 系统中，目录（directory）也是一种文件。打开目录，实际上就是打开目录文件。

目录文件的结构非常简单，就是一系列目录项（dirent）的列表。每个目录项，由两部分组成：所包含文件的文件名，以及该文件名对应的 inode 号码。

ls 命令只列出目录文件中的所有文件名：

$ ls /etc/nginx/
conf.d  fastcgi_params  mime.types  modules  nginx.conf  scgi_params  theme  uwsgi_params

ls -i 命令列出整个目录文件，即文件名和 inode 号码：

$ ls -i /etc/nginx/
 655806 conf.d   655877 fastcgi_params   663157 mime.types   655878 modules   655880 nginx.conf   655881 scgi_params  1331850 theme   655882 uwsgi_params

如果要查看文件的详细信息，就必须根据 inode 号码，访问 inode 节点，读取信息。

ls -l 命令列出文件的详细信息。

$ ls -l /etc/nginx/
total 32
drwxr-xr-x 2 root root 4096 May 24 23:35 conf.d
-rw-r--r-- 1 root root 1007 May 24 23:35 fastcgi_params
-rw-r--r-- 1 root root 5349 May 24 23:35 mime.types
lrwxrwxrwx 1 root root   29 May 24 23:35 modules -> ../../usr/lib64/nginx/modules
-rw-r--r-- 1 root root  648 May 24 23:33 nginx.conf
-rw-r--r-- 1 root root  636 May 24 23:35 scgi_params
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Mar 11 09:57 theme
-rw-r--r-- 1 root root  664 May 24 23:35 uwsgi_params

理解了上面这些知识，就能理解目录的权限。目录文件的读权限（r）和写权限（w），都是针对目录文件本身。由于目录文件内只有文件名和 inode 号码，所以如果只有读权限，只能获取文件名，无法获取其他信息，因为其他信息都储存在 inode 节点中，而读取 inode 节点内的信息需要目录文件的执行权限（x）。

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）。

ln 命令可以创建硬链接：ln 源文件 目标文件

$ ls -li
total 4
1436 -rw-r--r-- 1 root root 6 Jun 16 14:40 test1.txt
$ ln test1.txt test2.txt
$ ls -li
total 8
1436 -rw-r--r-- 2 root root 6 Jun 16 14:40 test1.txt
1436 -rw-r--r-- 2 root root 6 Jun 16 14:40 test2.txt

运行上面这条命令以后，源文件与目标文件的 inode 号码相同，都指向同一个 inode。inode 信息中有一项叫做”链接数”，记录指向该 inode 的文件名总数，这时就会增加1。

反过来，删除一个文件名，就会使得 inode 节点中的”链接数”减1。当这个值减到0，表明没有文件名指向这个 inode，系统就会回收这个 inode 号码，以及其所对应 block 区域。

这里顺便说一下目录文件的”链接数”。创建目录时，默认会生成两个目录项：”.”和”..”。前者的 inode 号码就是当前目录的 inode 号码，等同于当前目录的”硬链接”；后者的 inode 号码就是当前目录的父目录的 inode 号码，等同于父目录的”硬链接”。所以，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）。

软链接

除了硬链接以外，还有一种特殊情况。

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。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。

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

$ ls -li
total 4
1436 -rw-r--r-- 1 root root 3 Jun 16 14:50 t1.txt
$ ln -s t1.txt t2.txt 
$ ls -li
total 4
1436 -rw-r--r-- 1 root root 3 Jun 16 14:50 t1.txt
1451 lrwxrwxrwx 1 root root 6 Jun 16 14:50 t2.txt -> t1.txt

inode 的特殊作用

由于 inode 号码与文件名分离，这种机制导致了一些 Unix/Linux 系统特有的现象。

• 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。

• 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。因此，通常来说，系统无法从 inode 号码得知文件名。

第3点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。

实际问题

在一台配置较低的 Linux 服务器（内存、硬盘比较小）的 /data 分区内创建文件时，系统提示磁盘空间不足，用 df -h 命令查看了一下磁盘使用情况，发现 /data 分区只使用了66%，还有12G 的剩余空间，按理说不会出现这种问题。 后来用 df -i 查看了一下 /data 分区的索引节点(inode)，发现已经用满(IUsed=100%)，导致系统无法创建新目录和文件。

查找原因：/data/cache 目录中存在数量非常多的小字节缓存文件，占用的 Block 不多，但是占用了大量的 inode。

解决方案：

1. 删除 /data/cache 目录中的部分文件，释放出 /data 分区的一部分 inode。

2. 用软连接将空闲分区 /opt 中的 newcache 目录连接到 /data/cache，使用 /opt 分区的 inode 来缓解 /data 分区 inode 不足的问题：

   $ ln -s /opt/newcache /data/cache