【Linux】20.基础IO（2）

2. 理解文件系统

2.1 inode

我们使用ls -l的时候看到的除了看到文件名，还看到了文件元数据。

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ ll
total 8
drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ./
drwxrwxr-x 16 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ../
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ 

每行包含7列：

1. 模式
2. 硬链接数
3. 文件所有者
4. 组
5. 大小
6. 最后修改时间
7. 文件名

ls -l读取存储在磁盘上的文件信息，然后显示出来

其实这个信息除了通过这种方式来读取，还有一个stat命令能够看到更多信息

root@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108_class# stat test.txt
  File: test.txt
  Size: 168894    	Blocks: 336        IO Block: 4096   regular file
Device: fc03h/64515d	Inode: 523299      Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2025-01-11 14:56:30.477415933 +0800
Modify: 2025-01-11 14:55:52.332005160 +0800
Change: 2025-01-11 14:55:52.332005160 +0800
 Birth: -
root@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108_class# 

上面的执行结果有几个信息需要解释清楚

为了能解释清楚inode我们先简单了解一下文件系统

• Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。政府管理各区的例子

• 超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。

• GDT：块组描述符，描述块组属性信息，有兴趣的可以在了解一下

• 块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用

• inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。

• i节点表：存放文件属性 如 文件大小，所有者，最近修改时间等

• 数据区：存放文件内容

Linux系统中，一个文件，一个inode。每一个inode都有自己的inode编号(inode的设置，是以分区为单位的，不能跨分区)

inode表示文件的所有属性。文件名，并不属于inode内的属性。

将属性和数据分开存放的想法看起来很简单，但实际上是如何工作的呢？我们通过touch一个新文件来看看如何工作。

[root@localhost linux]# touch abc
[root@localhost linux]# ls -i abc
263466 abc

创建一个新文件主要有一下4个操作：

1. 存储属性
   内核先找到一个空闲的i节点（这里是263466）。内核把文件信息记录到其中。
2. 存储数据
   该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：300,500，800。将内核缓冲区的第一块数据
   复制到300，下一块复制到500，以此类推。
3. 记录分配情况
   文件内容按顺序300,500,800存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。
4. 添加文件名到目录

新的文件名abc。linux如何在当前的目录中记录这个文件？内核将入口（263466，abc）添加到目录文件。

文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。

2.2 如何理解目录

1. 如何理解"目录”

   目录也是文件，也有自己的inode。目录也要有自己的属性

2. 目录要不要数据块?

   目录也有数据块。

3. 里面放什么呢?

   该目录下，文件的文件名 和 对应文件的inode的映射关系。

目录是文件，也有ingde编号：

这些问题都与目录的本质及其权限管理密切相关，我来统一解释：

目录本质上是一个特殊的文件，其内部存储着文件名与inode号的映射关系：

1. 为什么同名文件不能存在：

   • 目录文件内部是一张表，存储着 “文件名→inode号” 的映射

   • 文件名是这张表的主键/索引

   • 如果允许同名，就会造成一个文件名对应多个inode号，系统就无法确定要访问哪个文件

2. 目录没有w权限：

   • w权限控制目录内容的修改权限

   • 不能创建文件是因为创建文件需要在目录的映射表中添加新的"文件名→inode"记录

   • 没有w权限就无法修改这张映射表，所以无法创建新文件

3. 目录没有r权限：

   • r权限控制读取目录内容的权限

   • 不能查看文件是因为无法读取目录的映射表

   • 无法获取目录下文件名和inode的对应关系

4. 目录没有x权限：

   • x权限控制目录的访问/切换权限

   • 系统需要通过目录的inode找到目录的数据块，才能访问目录内容

   • 没有x权限就无法访问目录的inode信息，自然无法进入目录

这些权限的组合形成了一个完整的访问控制体系：

• 要完整使用一个目录，需要同时具备r、w、x三个权限
• r权限让你能看到文件列表
• w权限让你能修改目录内容（创建、删除、重命名文件）
• x权限让你能访问目录本身和其中的文件
• 这三种权限相互配合，确保了文件系统的安全性和可用性

总结来说，目录作为一个特殊的文件，其inode和权限系统共同构建了一个层级化的文件组织和访问控制机制。

2.3 硬链接

我们看到，真正找到磁盘上文件的并不是文件名，而是inode。 其实在linux中可以让多个文件名对应于同一个inode。

[root@localhost linux]# touch abc 
[root@localhost linux]# ln abc def 
[root@localhost linux]# ls -1i
abc def 263466 abc 263466 def

abc和def的链接状态完全相同，他们被称为指向文件的硬链接。

内核记录了这个连接数，inode 263466 的硬连接数为2。

我们在删除文件时干了两件事情：

1. 在目录中将对应的记录删除。

2. 将硬连接数-1，如果为0，则将对应的磁盘释放。

硬链接不是一个独立的文件!因为他没有独立的inode

该如何理解硬链接?

所谓的建立硬链接，本质其实就是在特定目录的数据块中新增 文件名和指向的文件的inode 编号的映射关系。

任意一个文件，无论是目录，还是普通文件，都有inode。每一个inode内部，都有一个叫做引用计数的计数器（有多少个文件名指向我）。

2.4 软链接

硬链接是通过inode引用另外一个文件，软链接是通过名字引用另外一个文件，在shell中的做法

263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9月 15 17:45 abc
261678 lrwxrwxrwx. 1 root root 3 9月 15 17:53 abc.s -> abc
263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9月 15 17:45 def

软链接是一个独立的文件，具有独立的inode

该如何理解软链接?

软链接是一个独立的文件，有独立的inode，也有独立的数据块，他的数据块里面保存的是指向的文件的路径，相当于windows快捷方式

2.5 硬链接和软链接的区别

inode号：

• 硬链接：与源文件拥有相同的inode号
• 软链接：有自己独立的inode号

文件大小：

• 硬链接：与源文件大小完全相同
• 软链接：只占用存储源文件路径名的空间（通常很小）

原文件删除：

• 硬链接：不受影响，仍然可以访问文件内容
• 软链接：失效，无法访问（出现断链）

跨文件系统：

• 硬链接：不能跨文件系统建立
• 软链接：可以跨文件系统建立

支持目录：

• 硬链接：不能对目录创建硬链接
• 软链接：可以对目录创建软链接

常见应用场景：

硬链接适用于：

• 需要在同一文件系统内保持文件多份副本
• 想要节省存储空间
• 确保文件不会因某个链接删除而丢失
• 通常用来进行路径定位，采用硬链接，可以进行目录间切换

软链接适用于：

• 需要跨文件系统建立链接
• 需要链接目录
• 创建容易理解的快捷方式
• 经常需要修改链接指向

使用示例：

# 创建示例文件
echo "Hello" > source.txt

# 创建硬链接
ln source.txt hardlink.txt

# 创建软链接
ln -s source.txt softlink.txt

# 查看链接情况
ls -li
# 可以看到硬链接共享同一个inode号
# 软链接有独立的inode号

# 删除源文件测试
rm source.txt
# 硬链接仍然可用
# 软链接会失效

总结：

• 硬链接更安全但使用受限
• 软链接更灵活但可能出现断链
• 选择哪种链接取决于具体使用场景

补充：

ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ ll
total 8
drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ./
drwxrwxr-x 16 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ../
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ ll -li
total 8
527696 drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ./
523318 drwxrwxr-x 16 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ../
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ ll -lia
total 8
527696 drwxrwxr-x  2 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ./
523318 drwxrwxr-x 16 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 ../
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ pwd
/home/ydk_108/108/lesson20
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ ls /home/ydk_108/108/lesson20 -dil
527696 drwxrwxr-x 2 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 /home/ydk_108/108/lesson20
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ ls /home/ydk_108/108 -dil
523318 drwxrwxr-x 16 ydk_108 ydk_108 4096 Jan 23 17:05 /home/ydk_108/108
ydk_108@iZuf68hz06p6s2809gl3i1Z:~/108/lesson20$ 

在Linux中，.表示当前路径的硬链接，..表示上级路径的硬链接。

文件的三个时间：

• Access ：最后访问时间

• Modify ：文件内容最后修改时间

• Change ：属性最后修改时间