Linux 文件與目錄

筆者在前文《Linux EXT2 文件系統中》中介紹了 EXT2 文件系統中的基本概念，本文繼續以 EXT2 文件系統為例介紹文件系統是如何管理文件存儲的。

inode

在前文介紹文件系統時我們提到了 inode 和 data block。在 EXT2 文件系統中，inode 用來存放文件的元信息，data block 用來存放文件的內容。inode 包含的文件元信息有：

• 該文件的讀寫權限(rwx)
• 該文件的擁有者和所屬組(owner/group)
• 該文件的大小
• 該文件的 ctime(創建時間)
• 該文件的 atime(最近一次的讀取時間)
• 該文件的 mtime(最近修改的時間)
• 該文件的特殊標識，比如 SetUID 等
• 該文件真正內容的指向(文件 data block 的位置)

總之，除了文件名之外的所有文件信息都存在 inode 中。我們可以使用 stat 命令來查看文件的 inode 信息：

$ stat test.txt

inode 的大小
inode 本身是會消耗磁盤空間的，我們可以通過下面的方式查看 inode 的大小：

$ sudo dumpe2fs -h /dev/sdd1 | grep "Inode size"

在筆者的機器上，輸出的結果如下：

dumpe2fs 1.42.13 (17-May-2015)
Inode size:              256

也就是說一個 inode 占用 256 個字節的磁盤空間。

inode 耗盡問題
因為每個文件需要占用一個 inode，所以生產中會碰到 inode 耗盡導致無法創建新文件的問題。我們可以通過 df 命令 的 -i 選項查看文件系統中 inode 的使用情況：

$ df -i

文件

每個文件都會占用一個 inode，inode 內則有文件數據放置的 block 號碼。當我們在 Linux 下的 ext2 文件系統中創建一個一般文件時，ext2 文件系統會分配一個 inode 與相對於該文件大小的 data block(一個或多個) 給該文件。inode 記錄該文件的權限與屬性，並記錄分配到的 data block 號碼。例如：假設一個 data block 的大小為 4 KBytes，而要創建一個 100 Kbytes 的文件，linux 就會分配一個 inode 與 25 個data block 來儲存該文件！
單個文件，inode 和 data block 的示意圖(可以簡單的理解為下圖的樣子)：

這種數據存取的方法我們稱為索引式文件系統(indexed allocation)。

雖然從實現的層面上來看，可以直接從 inode 找到其對應的 data block，但是我們卻不能通過 inode 直接訪問文件，因為這會破壞通過權限進行的訪問控制。例如，如果沒有遍歷目錄的權限，那么無論文件上的權限是什么，都不能訪問該目錄中的任何文件。如果可以通過inode訪問文件，就可以繞過目錄權限。

目錄

注意，inode 本身並不記錄文件名，文件名的記錄是在目錄的 data block 當中。
目錄本質上也是一個文件，所以當我們在 ext2 文件系統中創建一個目錄時，文件系統會分配一個 inode 和至少一塊 data block 給這個目錄。其中，inode 記錄該目錄相關的權限與屬性，並記錄分配到的 data block 號碼。而 data block 中則記錄着在這個目錄下的文件名(目錄也是文件)與該文件名的 inode 號碼。也就是說目錄所占用的 data block 的內容記錄着類似下面的信息：

目錄項
文件名及其對應的 inode 被稱為目錄項。其實，目錄項是內存中的數據結構，所以實際情況是文件名對應的是指向 inode 的指針。我們可以通過下面的示意圖來理解 inode、目錄、文件以及目錄項之間的關系：

從磁盤讀取一個文件的過程

由於目錄樹是由根目錄開始讀起，因此通過文件系統的掛載信息可以找到掛載點的 inode 號，此時就能夠得到根目錄的 inode 內容，並通過這個 inode 讀取根目錄的 data block 中的文件名稱，再一層一層的往下查找，直到讀到正確的文件名。下面讓我們通過讀取 /etc/passwd 文件來理解文件的讀取過程。

上面的 ls 命令使用 i 選項輸出了 /、 /etc、 /etc/passwd 的 inode 分別為 2、4325377、4329700。
我們通過當前用戶 nick 讀取 /etc/passwd 文件的內容，其過程如下：

1. / 的 inode 號為 2，權限信息允許我們讀取 data block 中的內容(有 r 與 x)
2. / 的 data block 中記錄的 etc/ 目錄的 inode 號為 4325377
3. etc/ 的 inode 中權限信息包含 rx，因此用戶 nick 可以讀取 etc/ data block 的內容
4. etc/ 的 data block 中記錄的 passwd 文件的 inode 號為 4329700
5. 文件 passwd 的 inode 中權限信息包含 r，因此用戶 nick 可以讀取 passwd data block 的內容
6. passwd 的 data block 中的內容被讀取出來

參考：
鳥哥的私房菜
理解inode
Linux inode 詳解
關於 inode
目錄項對象