inode
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inode (index node)是指在許多「類Unix文件系統」中的一種數據結構,用於描述文件系統對象(包括文件、目錄、設備文件、socket、管道等)。每個inode保存了文件系統對象數據的屬性和磁盤塊位置[1]。文件系統對象屬性包含了各種元數據(如:最後修改時間[2]) ,也包含用戶組(owner)和權限數據[3]。
命名
[編輯]Unix先驅丹尼斯·里奇說[4],inode這個命名的來源可能是文件系統的存儲組織為一個扁平數組,分層目錄資訊使用一個數作為文件系統這個扁平數組的索引值(index)。
細節
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文件系統創建(格式化)時,就把存儲區域分為兩大連續的存儲區域。一個用來保存文件系統對象的元信息數據,這是由inode組成的表,每個inode默認是256字節或者128字節。另一個用來保存「文件系統對象」的內容數據,劃分為512字節的扇區,以及由8個扇區組成的4K字節的塊。塊是讀寫時的基本單位。一個文件系統的inode的總數一般情況下是固定的。這限制了該文件系統所能存儲的文件系統對象的總數目。典型的實現下,所有inode占用了文件系統1%左右的存儲容量。
文件系統中每個「文件系統對象」對應一個「inode」數據,並用一個整數值來辨識。這個整數常被稱為inode號碼(「i-number」或「inode number」)。由於文件系統的inode表的存儲位置、總條目數量都是固定的,因此可以用inode號碼去索引查找inode表。
Inode存儲了文件系統對象的一些元信息,如所有者、訪問權限(讀、寫、執行)、類型(是文件還是目錄)、內容修改時間、inode修改時間、上次訪問時間、對應的文件系統存儲塊的地址,等等。知道了1個文件的inode號碼,就可以在inode元數據中查出文件內容數據的存儲地址。
文件名與目錄名是「文件系統對象」便於使用的別名。一個文件系統對象可以有多個別名,但只能有一個inode,並用這個inode來索引文件系統對象的存儲位置。
- inode不包含文件名或目錄名的字符串,只包含文件或目錄的「元信息」。
- Unix的文件系統的目錄也是一種文件。打開目錄,實際上就是讀取「目錄文件」。目錄文件的結構是一系列目錄項(dirent)的列表。每個目錄項,由兩部分組成:所包含文件或目錄的名字,以及該文件或目錄名對應的inode號碼。
- 文件系統中的一個文件是指存放在其所屬目錄的「目錄文件」中的一個目錄項,其所對應的inode的類別為「文件」;文件系統中的一個目錄是指存放在其「父目錄文件」中的一個目錄項,其所對應的inode的類別為「目錄」。可見,多個「文件」可以對應同一個inode;多個「目錄」可以對應同一個inode。
- 文件系統中如果兩個文件或者兩個目錄具有相同的inode號碼,那麼就稱它們是「硬鏈接」關係。實際上都是這個inode的別名。換句話說,一個inode對應的所有文件(或目錄)中的每一個,都對應着文件系統某個「目錄文件」中唯一的一個目錄項。
- 創建一個目錄時,實際做了3件事:在其「父目錄文件」中增加一個條目;分配一個inode;再分配一個存儲塊,用來保存當前被創建目錄包含的文件與子目錄。被創建的「目錄文件」中自動生成兩個子目錄的條目,名稱分別是:「.」和「..」。前者與該目錄具有相同的inode號碼,因此是該目錄的一個「硬鏈接」。後者的inode號碼就是該目錄的父目錄的inode號碼。所以,任何一個目錄的"硬鏈接"總數,總是等於它的子目錄總數(含隱藏目錄)加2。即每個「子目錄文件」中的「..」條目,加上它自身的「目錄文件」中的「.」條目,再加上「父目錄文件」中的對應該目錄的條目。
- 通過文件名打開文件,實際上是分成三步實現:首先,操作系統找到這個文件名對應的inode號碼;其次,通過inode號碼,獲取inode信息;最後,根據inode信息,找到文件數據所在的block,讀出數據。
Linux系統使用struct inode
作為數據結構名稱。BSD派生的系統,使用vnode
名稱,其中v表示「virtual file system」。
POSIX inode
[編輯]POSIX 標準強制規範的文件系統的行為受到傳統 UNIX 文件系統的深刻影響。可以用短語「文件序列號」來形容inode,定義為文件系統範圍的唯一文件標識符。[6]上述的文件序列號和包含此文件的設備ID一起,在整個系統上對應唯一的文件。[7]
在POSIX系統上,可使用stat
系統調用取得文件的下列屬性:[7]
- 以字節為單位表示的文件大小。
- 設備ID,標識容納該文件的設備。
- 文件所有者的User ID。
- 文件的Group ID
- 文件的模式(mode),確定了文件的類型,以及它的所有者、它的group、其它用戶訪問此文件的權限。
- 額外的系統與用戶標誌(flag),用來保護該文件。
- 3個時間戳,記錄了inode自身被修改(ctime, inode change time)、文件內容被修改(mtime, modification time)、最後一次訪問(atime, access time)的時間。
- 1個鏈接數,表示有多少個硬鏈接指向此inode。
- 到文件系統存儲位置的指針。通常是1K字節或者2K字節的存儲容量為基本單位。
可以查詢一個文件的inode號碼及一些元信息。
推論
[編輯]- 一個文件系統對象可以有多個名字,這些具有硬鏈接關係的文件系統對象名字具有相同的inode號碼,彼此是平等的。即首個被創建的文件並沒有特殊的地位。這與符號鏈接不同。一個符號鏈接文件有自己的inode,符號鏈接文件的內容是它所指向的文件的名字。因此刪除符號鏈接所指向的文件,將導致這個符號鏈接文件在訪問時報錯。
- 刪除一個文件或目錄,實際上是把它的inode的鏈接數減1。這並不影響指向此inode的別的硬鏈接。
- 一個inode如果沒有硬鏈接,此時inode的鏈接數為0,文件系統將回收該inode所指向的存儲塊,並回收該inode自身。
- 從一個inode,通常是無法確定是用哪個文件名查到此inode號碼的。打開一個文件後,操作系統實際上就拋掉了文件名,只保留了inode號碼來訪問文件的內容。庫函數getcwd()用來查詢當前工作目錄的絕對路徑名。其實現是從當前工作目錄的inode逐級查找其上級目錄的inode,最後拼出整個絕對路徑的名字。
- 歷史上,對目錄的硬鏈接是可能的。這可以使目錄結構成為一個有向圖,而不是通常的目錄樹的有向無環圖。一個目錄甚至可以是自身的父目錄。現代文件系統一般禁止這些混淆狀態,只有根目錄保持了特例:根目錄是自身的父目錄。這項限制最著名的一個例外可在Mac OS X(10.5或更高版本)上找到:它允許超級用戶建立目錄的硬鏈接。[8]
- 一個文件或目錄在文件系統內部移動時,其inode號碼不變。文件系統碎片整理可能會改變一個文件的物理存儲位置,但其inode號碼不變。非UNIX的FAT及其衍生的文件系統是無法實現inode不變這一特點。
- inode文件系統中安裝新庫十分容易。當一些進程正在使用一個庫時,其它進程可以替換該庫文件名字的inode號碼指向新創建的inode,隨後對該庫的訪問都被自動引導到新inode所指向的新的庫文件的內容。這減少了替換庫時重啟系統的需要。而舊的inode的鏈接數已經為0,在使用舊函式庫的進程結束後,舊的inode與舊函式庫文件會被系統自動回收。
- 一些文件系統,由於inode表在文件系統創建時就已經確定並且不能再動態增加,新增的文件數量可能會用盡inode。這導致文件系統還有空閒的存儲空間,但已經沒有空閒的inode可供使用了。例如,一個電子郵件服務器可能會被大量的小文件用盡所有inode,但是卻沒有填滿文件存儲空間。部分文件系統,如JFS和XFS,能夠動態地增加inode,因此不會用盡inode。
實際考慮
[編輯]系統管理員使用的很多程序往往用inode號碼來替代文件名來訪問文件系統。例如磁盤完整性檢查程序fsck
或pfiles
。因此,inode號碼與文件全路徑名的互查是需要的。可以用find
帶參數選項-inum
,ls
帶參數選項(-i
做到。
參考文獻
[編輯]- ^ Tanenbaum, Andrew S. Modern Operating Systems 3rd. : 279.
- ^ JVSANTEN. Difference between mtime, ctime and atime - Linux Howtos and FAQs. Linux Howtos and FAQs. [2020-01-20]. (原始內容存檔於2020-09-21).
- ^ Anatomy of the Linux virtual file system switch. ibm.com. [2020-01-20]. (原始內容存檔於2018-10-02).
- ^ Linux Kernel list archive (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館). Retrieved on 2011-01-12.
- ^ Bach, Maurice J. The Design of the UNIX Operating System. Prentice Hall. 1986: 94. Bibcode:1986duos.book.....B.
- ^ Definitions - 3.176 File Serial Number. The Open Group. [10 January 2018]. (原始內容存檔於2013-04-29).
- ^ 7.0 7.1 <sys/stat.h>. The Open Group. [15 January 2018]. (原始內容存檔於2022-01-30).
- ^ What is the Unix command to create a hardlink to a directory in OS X?. Stack Overflow. 16 Jan 2011 [5 Jan 2020]. (原始內容存檔於5 January 2020).