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Linux文件元数据之inode表结构
描述：文件元数据（Metadata）是文件的属性，它描述了文件的基本信息，例如文件大小、创建时间、类型、权限等。其通常是存放在inode (index node) 表中，inode 表中有很多条记录组成，第一条记录对应的存放了一个文件的元数据信息。
此处以ext4文件系统为例，每个 inode 表记录中大致包含以下信息：
inode Number 节点号
文件类型和访问权限；
文件所属用户 UID和组 GID；
文件大小和占用磁盘块数；
文件创建、修改和访问时间戳；
文件的硬链接数；
文件的数据块地址等。
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具体来说，一个 inode 结构体通常包含以下字段：
struct ext4_inode {
__le16 i_mode; // 文件类型和访问权限
__le16 i_uid; // 文件所属用户 ID
__le32 i_size_lo; // 文件大小
__le32 i_atime; // 上次访问时间
__le32 i_ctime; // 创建时间
__le32 i_mtime; // 上次修改时间
__le32 i_dtime; // 删除时间
__le16 i_gid; // 文件所属组 ID
__le16 i_links_count; // 硬链接数
__le32 i_blocks_lo; // 占用磁盘块数
__le32 i_flags; // 文件标志
__le32 i_block[EXT4_N_BLOCKS]; // 数据块地址
__le32 i_generation; // 文件版本号
__le32 i_file_acl_lo; // 文件 ACL
__le32 i_size_high; // 文件大小（高位）
__le32 i_obso_faddr; // 文件的 fragment 地址
union {
struct {
__le32 l_i_version;
} linux1;
struct {
__u32 h_i_translator;
} hurd1;
struct {
__u32 m_i_reserved1;
} masix1;
} osd1; // 操作系统相关数据
union {
struct {
__le16 l_i_blocks_high;
__le16 l_i_file_acl_high;
__le16 l_i_uid_high;
__le16 l_i_gid_high;
__u16 l_i_checksum_lo; // 低位校验和
__u16 l_i_reserved;
} linux2;
struct {
__le16 h_i_reserved1;
__u16 h_i_mode_high;
__u16 h_i_uid_high;
__u16 h_i_gid_high;
__u32 h_i_author;
} hurd2;
struct {
__le16 h_i_reserved1;
__u16 h_i_mode_high;
__u16 h_i_uid_high;
__u16 h_i_gid_high;
__u32 h_i_reserved2[2];
} masix2;
} osd2; // 操作系统相关数据
};其中比较重要的字段包括：i_mode、i_uid、i_gid、i_links_count、i_size_lo、i_atime、i_ctime、i_mtime、i_blocks_lo 和 i_block。
1.直接块指针，直接指向内存的数据区域，拥有12个直接指针，由于每个Block大小为
4096B(4KB)，则前12直接指针可保存48KB文件。2.间接指针，别称一级指针，其可以存储文件大小为
1024*4096=4MB，存放1024个指针，每个指针又指向一个Block（4KB）。3.双重间接块指针，别称二级指针，其可存储文件大小为
1024*1024*4096=4GB，存放1024*1024个指针，每个指针又指向一个Block（4KB）。4.三重间接块指针，别称三级指针，其可存储文件大小为
1024*1024*1024*4096=4TB，存放1024*1024*1024个指针，每个指针又指向一个Block（4KB）。
从上图中可知在 ext4 文件系统中，目录是个特殊文件，目录文件的内容保存了此目录中的文件的列表及inode Number对应关系, 用户通过文件名访问文件时，首先在目录中查找文件的inode Number，然后根据inode Number找到对应的文件。
所以，一般inode表会占用文件系统磁盘空间的1%左右，一个目录文件的内容就是一个该目录下所有文件的目录项的列表。
# 查看 /boot 分区信息
$ df -Th /boot/
文件系统 类型 容量 已用 可用 已用% 挂载点
/dev/sda2 xfs 960M 251M 710M 27% /boot
$ df /boot
文件系统 1K-块 已用 可用 已用% 挂载点
/dev/sda2 983040 256144 726896 27% /boot
# 查看 /boot 分区 Inodes 总数量、已用、可用
$ df -i /boot
文件系统 Inodes 已用(I) 可用(I) 已用(I)% 挂载点
/dev/sda2 524288 22 524266 1% /boot
# 创建新文件验证系统 inodes 数量是否会新增
$ dd if=/dev/zero of=/tmp/test/file.txt bs=1M count=100
$ df -i /tmp/dir01
文件系统 Inodes 已用(I) 可用(I) 已用(I)% 挂载点
/dev/mapper/rl-root 35010560 47121 34963439 1% /
$ dd if=/dev/zero of=/tmp/test/file1.txt bs=1M
$ df -i /tmp/dir01
文件系统 Inodes 已用(I) 可用(I) 已用(I)% 挂载点
/dev/mapper/rl-root 35010560 47122 34963438 1% /cp 命令复制文件目录时inode变化
首先，分配一个空闲的inode号，并在inode表中生成新条目。 其次，在目录中创一个目录项，将新条目指向inode号（关联）。 最后，将文件数据块拷贝到inode号对应的磁盘块中。
$ ls -li
134349770 -rw-r--r--. 1 root root 23 3月 24 16:12 issue~
$ cp issue~ issue~.bak
$ ls -li issue~.bak
134612838 -rw-r--r--. 1 root root 23 3月 25 02:13 issue~.bakrm 命令删除文件目录时inode变化
首先，将链接数递减，释放inode号，方便重用。 其次，将数据块存放在空闲列表中。 然后，将目录项从目录中删除。 最后，数据实际上并没有删除，只是被标记为空闲，当另外一个文件使用数据块时将被覆盖。
mv 命令移动重名文件目录时inode变化
首先，若mv命令的目标目录是当前目录，使用新文件名创建对应新的目录项，删除旧目录条目对应的旧的文件名，新文件与原始inode号绑定,变动的是时间戳。 其次，若mv命令的目标目录不是当前目录，mv相当于cp和rm命令的结合，首先将文件数据块拷贝到目标目录中，然后删除旧目录中的文件。
$ ls -li
# 134612806 -rw-r--r--. 1 root root 5 3月 24 15:44 issue
$ mv issue issue.bak
$ ls -li
# 134612806 -rw-r--r--. 1 root root 5 3月 24 15:44 issue.bakln 命令创建软、硬链接时inode变化
首先，创建硬链接，同一个文件，不支持目录、跨分区，与源文件的inode号相同。 其次，创建软链接，类似
Windows快捷方式，支持目录、跨分区，新文件与新的inode号绑定。
# 硬链接
$ ln /tmp/dir01/file.txt /tmp/dir02/file.txt
# 软链接
$ ln -s /tmp/dir01/file.txt /tmp/dir02/file.txt
$ ln -s ../dir01/file.txt /tmp/dir03/file.txt # 特殊：在 /tmp/dir01/ 目录中若要使用相对路径
# 删除软链接目录时，一定不要在尾部加上 /，否则会删除软链接源目录文件
rm -rf /tmp/dir03Tips: Linux 系统中软链接与硬链接特征区别?
| 区别 | 软链接 | 硬链接 |
|---|---|---|
| 本质 | 非同一个文件 | 同一个文件 |
| 垮设备、分区 | 支持 | 不支持 |
| 文件夹 | 支持 | 不支持 |
| inode 值 | 不相同 | 与源文件相同 |
| 链接数 | 创建、删除链接数不会变化 | 创建新的硬链接，数量会增加，删除硬链接，数量减少 |
| 相对路径 | 必须使用绝对路径，源文件可以不存在 | 无必须使用绝对路径，也可以使用相对路径，且原文件必须存在 |
| 文件类型 | 链接文件和源文件无关 | 和源文件相同 |
| 文件大小 | 源文件的路径的长度 | 和源文件相同 |
| 删除源文件 | 软链接文件将无法访问 | 链接数减一，删除最后一个链接后，源文件被删除 |
生产案例Tips：
提示磁盘空间满
No Space Left On Device，但是 df 可以看到空间有剩余，为什么? A: 实际上是因为 inode 表数量使满了，此时删除我们创建的/boot/testdir/便可以正常使用。
# 以 /boot 分区为例，将硬盘撑满。
$ cp /dev/zero /boot/test.img
# cp: 写入 '/boot/test.img' 出错: 设备上没有空间
$ df -i /boot
文件系统 Inodes 已用(I) 可用(I) 已用(I)% 挂载点
/dev/sda2 524288 502 523786 5% /boot
$ df -h /boot
文件系统 容量 已用 可用 已用% 挂载点
/dev/sda2 960M 960M 112K 100% /boot
# 此时无法再创建文件了
$ touch a.txt
touch: 无法创建 'a.txt': 设备上没有空间
# 然后，删除 /boot/test.img 文件
rm -rf /boot/test.img
# 前面，已知inode数量为524288，我们将剩余的inode数量填满，创建剩余数量的文件。
mkdir -vp /boot/testdir/
echo /boot/testdir/{1..523786}.txt | xargs -n 10000 touch
# 此时，将可以看到剩余的inode数量为 0，创建文件提示 No Space Left On Device，但是 df 命令仍然显示有剩余控制。
提示磁盘空间快满，使用rm命令删除了很大的无用文件后，df仍然看到空间没被释放，为什么，如何解决? A: 一个目录文件若正在使用，则不会立即删除，虽然你在终端中可能看不到了，但是实际上目录文件系统没有及时释放inode，若想立即释放空间则可以按照下述方法。
$ cp /dev/zero /boot/test.img
$ df -h /boot
# 通用
$ cat /dev/null > /boot/test.img
# 在 sh 与 bash Shell 使用的方法，可能不通用
> /boot/test.img
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