【Linux】inode软硬连接

前言

本章我们将学习学习认识一下磁盘的的物理结构，理解磁盘分区分块，如何对区块进行管理。学习认识inode和软硬连接。目标已经确定，接下来就要搬好小板凳，准备开讲了…

---

1. 文件系统

1.1 磁盘的物理结构：

前面我们学到的所有的东西，全部都是在内存中。但是并不是所有的文件都被打开了。
大量的文件，就在磁盘上，静静的躺着，这批文件非常多，杂，乱。
视角，从内存中移开，视角，迁移到磁盘上。
磁盘基本的文件管理，本质工作：就和快递站的老板做的工作是一样的！

磁盘是我们电脑上的唯一的一个机械设备目前，我们笔记本上，可能已经不用磁盘了而是SSD（固态硬盘）。磁盘更加的便宜，公司的服务器大部分都是磁盘式的服务器，SSD的耐用性不如磁盘。

存储数据原理：

磁盘存储数据的原理是基于磁性材料和磁场相互作用的物理过程。在硬盘和磁带等磁介质上，数据以磁场的形式进行存储和读取。

磁性，改变N/S极，就是改变了0/1。

当我们改变磁盘上某一个位置的N/S极，就好比更改了此处保存的数据0/1。

• 一个面，一个磁头。
• 机械式 + 外设 = 磁盘一定是很慢的（相比于CPU，内存）

磁盘存储结构由多个组件组成，每个组件都有不同的功能和作用。以下是磁盘存储结构中常见的组件及其解释：

1. 盘片（Platters）：盘片是磁盘存储结构的主要部分，通常由金属或玻璃材料制成。它们被堆叠在一起，并通过主轴旋转。数据存储在盘片的表面上，每个盘片的两个面都可以用于数据存储。

2. 磁头（Heads）：磁头是用于读取和写入数据的装置，通常由电磁部件组成。磁头位于盘片的表面上方或下方，能够浮动在非常接近盘片表面的位置，并通过微小的电流产生磁场，与盘片上的磁场相互作用。

3. 臂（Arm）：臂是磁头的支撑结构，也被称为寻道臂。臂一端连接着磁头，另一端连接到驱动器的位置控制系统。臂可以在盘片的边缘上移动，将磁头定位到指定的磁道上。

4. 磁道（Track）：磁道是盘片上的一个圆环形区域，被划分为多个同心圆。每个磁道上可以存储一定容量的数据，磁头通过臂将其定位到指定磁道上进行读写操作。

5. 柱面（Cylinder）： 柱面是指位于多个盘片上同一径向位置的磁道的集合。换句话说，柱面由多个盘片上相同编号的磁道组成，这些磁道在垂直方向上对齐形成一个柱状结构。每个盘片都有多个柱面，且每个柱面上的磁道数量相同。使用柱面编号的方式可以简化磁头的寻道操作。

6. 扇区（Sector）：扇区是磁道上的最小单位，用于存储数据。通常情况下，每个扇区的大小为512字节或4KB。数据的读取和写入以扇区为单位进行。

7. 主轴（Spindle）：主轴是盘片的旋转中心轴，通过电机驱动使盘片高速旋转。主轴的旋转速度通常以每分钟转数（RPM）来衡量，例如7,200 RPM或10,000 RPM。

8. 驱动器控制器（Drive Controller）：驱动器控制器是磁盘驱动器上的电路板，负责控制整个磁盘存储系统的操作。它连接到计算机系统，并根据计算机的指令控制磁头的移动、数据读取和写入等操作。

这些组件共同协作，实现了数据在磁盘上的存储和访问过程。通过磁头的移动和盘片的旋转，可以精确地读取和写入数据，从而实现高效的数据存储和检索。

读写磁盘的时候，磁头找的是某一个面的某一个磁道的某一个扇区：

• 盘面（有两面）有自己对应的磁头
• 磁道 是由距离圆心的半径决定的
• 扇区是由盘面旋转决定的

操作系统的文件系统所作的工作，便是将文件和其对应的扇区联系起来。用上面提到的办法，便可以查找到每一个扇区！

• 只要我们能找到磁盘上的盘面，柱面（磁道），扇区，就能找到一个存储单元！
• 用同样的方法，我们可以找到所有的基本单元！！

这种查找数据位置的操作，被称为CHS寻址，CHS分别对应磁柱、磁面、扇区。

---

1.2 CSH和LBA：

CHS的寻址方式：

• 如何确定数据被写到盘面对的哪些位置呢？
• 先确定某一个柱面或者磁道，再确定是哪个面。
• 接下来是确定在哪个扇区，然后某一个存储单元就能确定了。
• 就能找到任意一个指定的扇区。

相信我们都见过磁带，卷起来是一盘，拉直了是一个长条。而我们的磁盘也可以看作将每个磁道拉直了，连起来就是个长条，我们可以看作是一个大数组。

• 此时，对磁盘文件的修改，就可以抽象成对内核中一个数组的增删查改操作！
• 将每一小块管好，整个也就管好了，对磁盘的管理就想象成了对数组的管理。

这种抽象之后的磁盘，被称为LBA逻辑块地址方式。

通过整除 + 取模等操作，就可以将LBA逻辑块地址转换成CHS地址来确定具体位置。

具体计算过程参考：学习传送门

修改了数组中的数据之后，操作系统将LBA对应的CHS地址算出来交给磁盘，让磁盘来修改指定扇区的数据，便实现了保存数据到磁盘中的操作。

---

1.3 IO的基本单位：

对于操作系统而言，一次IO的基本单位通常是块（block），通常情况下，一个块的大小等于一个扇区的大小。扇区是磁盘存储的最小单位，一般为512字节或者4KB。

磁盘访问的基本单位是扇区，不代表磁盘将来就必须以扇区为单位访问。我们可以以多个扇区为单位去访问。

为什么通常是4KB呢？

IO基本单位一般选择4KB的原因有几个方面的考虑：

1. 存储介质特性：传统硬盘（磁盘）的扇区大小通常是512字节，而一个4KB的块恰好包含了8个扇区。以4KB作为IO基本单位可以更好地匹配硬盘的物理组织结构，减少读取和写入时的寻道开销，提高存储设备的读写效率。
2. 缓存效果：较大的块大小有助于提高IO操作的缓存效果。当系统进行IO操作时，会将整个块加载到内存缓存中。较大的块大小可以最大程度地利用内存的缓存能力，减少频繁的磁盘访问，从而提高整体的读写性能。
3. 文件系统的块大小：许多文件系统以4KB作为默认的块大小，选择与文件系统块大小一致的IO单位可以更好地与文件系统进行协作。这样可以避免额外的转换和管理开销，提高数据读写的效率。

其中我个人认为最重要的一点就是：

• 不要让软件(OS)设计和硬件（磁盘）具有强相关性，换句话说，就是解耦合！
• 内存也要以申请4KB的空间来接收。

需要注意的是，IO基本单位的选择也会受到具体应用场景、硬件限制以及性能需求的影响。对于某些特定应用，可能会使用其他大小的块来满足特定的需求。因此，选择IO基本单位的最佳大小需要综合考虑各种因素，并进行实际测试和评估。

---

1.4 文件系统结构：

上述我们讲到，将磁盘看作是一个大的数组，将大数组分块，只要将每一块管理好，那么整个磁盘也就管理到位了。

假设分区有100GB，我们分了20个小组，接下来再分组，分了五个组，所以最后要想把磁盘管好，就要把块组管好，也就是最后把1GB管好。

Boot Block与开机有关：

一般计算机在刚开始启动的时候，首先加电自检，然后找主板上的一个设备Base 10 System，它是硬件，里面大概有五百多字节的存储空间，里面就存储了磁盘设备，当它启动之后定要去找计算机里面，操作系统在什么地方，所以它启动之后一定要读取一个分区里面的Boot Block，这个当中就表明了一个机器的开机信息，包括分区表，同时还告诉我们操作系统中软件在什么地方。
所以硬件层面上，系统启动时，读取这一小块数据就可以直接找到操作系统，然后加载操作系统，俗称：开机。

Linux采用的是文件内容、文件属性分开存放的存储方式：

• 文件的属性是稳定的
• 文件的内容在不断增多

Linux中文件的属性信息（如权限、所有者、大小等）是通过inode来存储和管理的：

• 每个文件都有一个唯一的inode号码，用于标识该文件。
• inode是文件系统中的一个数据结构，它包含了文件的元数据信息。
• 包括文件的权限、时间戳、大小等。
• 当然也有一些文件没有inode。

文件名是用户给文件分配的可识别和易记的名称，而inode是文件系统内部用来唯一标识和管理文件的数据结构。

• Data blocks： 以块为单位，进行文件内容的保存！
• inode table：以128字节为单位，进行inode属性的保存！
• 如何标定文件的唯一性？
• • inode属性里面有一个inode编号！
• 一个分区内，一个inode是具有唯一性的。
• • 一般而言，一个文件，一个inode，一个文件，一个inode号 !
• Block Bitmap： 标识每个块是否已经被使用了。用比特位的内容，来表示对应的块是否被占用。用比特位的位置，来表示哪个数据块。
• inode Bitmap： 用比特位的位置来代表是第几个inode，用对应位置比特位是0还是1来表示，inode表里的inode是否被占用。
• GDT(Group Descriptor Table)： 管理分区内的一个组，有多少inode，起始的inode编号，有多少个inode被使用，有多少block被使用，还剩多少，总的group大小是多少…
• SB(super block) : 就是我们文件系统的项层数据结构了！
• • 表示整个分区，一共有多少个块，一共有多少个Block group。
• • 每一个块组inode使用情况是什么，每一个块组Date Block使用情况是什么。
• • 整个分区是多大，整个分区在磁盘中是从几号到几号，整个分区是什么样的文件系统。
• • 文件系统种类是什么，全部属性都写在了Super Block，所以是一个顶层的数据结构。
• 一个inode（文件，属性）如何和属子自己的内容关联起来呢？
• • data block，4KB，也叫以保存其他块的编号！
• • 直接在自己的块内找到其他的块，找到文件的inode就能找到文件的所有内容了。
• 文件名，算文件的属性吗？算！
• • 但是，inode里面，并不保存文件名！！
• • Linux下，底层实际都是通过inode编号标识文件的，没有文件名的概念。

Linux下一切皆文件，那么目录是文件吗？

• 答案是肯定的，目录也是文件！！
• 文件 = 内容(blocks) + 属性(inode)
• 文件名和inode的映射关系是存储在目录的数据块（block）中的。

为什么要读取目录下文件名时，查看文件名时必须要有读权限：

• 读取文件名就是在读取目录的内容。
• 读取目录的内容就必须要有读权限。
• 这和读一个普通文件没区别。

当想在目录下创建一个文件时，创建文件时必须要有写权限：

• 最后要将文件名和inode映射关系写到目录的data block当中。
• 如果没有写权限，怎么写入呢？

Linux同一个目录下，可以创建多个同名文件吗？？不会！

• 文件名本身就是一个具有Key值的东西！
• 通过文件名找inode一定是一对一的关系，不存在多个文件名重复的问题。
• 目录里保存的是文件名和inode的映射关系。

补充：

• 目录实际上是一种特殊的文件，它包含了一个或多个数据块，用于存储文件名和对应的inode号码的映射。
• 每个目录数据块中都保存着一系列的目录项（directory entry），每个目录项由文件名和对应的inode号码组成。系统通过遍历这些目录项，就能够根据文件名找到相应的inode，进而操作文件。
• 当文件系统需要创建、删除、重命名或移动文件时，它会更新目录数据块中的目录项，以反映文件名与inode之间的变化。
• 因此，目录的数据块承载了文件名和inode之间的映射关系，它起到了连接文件名和inode的桥梁作用。通过查找目录数据块，系统可以快速定位并操作特定的文件。

通过ls -l -i来查看文件的inode：

当我们创建一个文件，操作系统做了什么？

• 找到自己的目录，找到目录的inode，然后找到目录的Date Block。
• 这里有文件名和inode的映射关系，文件名在该目录下的唯一性，根据文件名做查找，找到了inode编号。
• 根据inode编号找到block group，然后只要把该文件对应的inode Bitmap由1置0。
• 将这个文件对应的Block Bitmap数据块由1置0，此时就完成了文件删除。

请问删除一个文件，OS做了什么？？

• Linux并没有真正的清除数据：
• 删除的时候，只是将标记该文件对应的属性和数据块的相关位图结构由1置0，就完成了删除。
• 最后在文件所处的目录当中，把该文件对应的inode映射关系去掉，此时这个文件就被删除了。

ls的工作过程：

• ls找到目录对应的inode编号，根据inode编号找到inode。
• inode里面有属性，属性里面有数据块和inode的映射关系。
• 找到数据块，只把数据块中文件名列出来就完了。

ls -l工作过程：

• ls -l是找到目录对应的数据块，找到了对应的内容。
• 内容里面文件名和inode映射关系就有了，拿着每个文件的inode，去查找每个文件它自己的inode，将属性全部读取。
• 此时再拼接文件名，就构成了ls -l的信息。

---

2. 软硬连接

在我们Linux刚开始学习的时候，我们有一个连接数是没有讲的：

文件硬连接数：

文件硬连接个数指的是特定文件的硬链接数量。在Linux系统中，多个文件名可以指向相同的数据块，这些文件名被称为文件的硬链接。 硬链接是文件系统中的链接，它们具有相同的inode号，并且它们引用相同的文件内容。
每当创建一个硬链接时，文件的硬链接计数增加1。相反，当删除一个硬链接时，硬链接计数减少1。只有在硬链接计数为0时，文件才被真正删除，释放相关的存储空间。
因此，文件的硬链接个数表示有多少个文件名指向同一份数据。当硬链接计数为1时，说明该文件没有其他硬链接，即它是唯一指向该数据的文件。

2.1 目录和文件的硬连接数：

当我们创建目录或文件时，我们看到的是：目录默认的硬链接数是2，而文件默认的硬链接数是1。

• 这是什么原因？

• 在Linux系统中，目录是一种特殊类型的文件，它包含了文件名和对应文件索引节点的映射关系。
• 目录的硬链接数指的是指向该目录的硬链接数量，也就是有多少个目录项指向该目录。
• • 一个目录至少有两个硬链接，一个是它自己的记录（“.”），另一个是指向该目录的父目录的记录（“. .”）。
• • 这样设计的目的是为了在文件系统中建立层次结构，并保证文件系统的完整性。
• 文件的硬链接数指的是指向该文件的硬链接数量，也就是有多少个文件名指向该文件。
• • 默认情况下，文件在创建时只会有一个硬链接，即它的原始文件名。
• • 这是因为文件通常被认为是唯一的，没有必要有其他文件名指向同一个文件。
• • 如果需要创建文件的硬链接，可以使用特定的命令进行创建。

总之，目录的默认硬链接数是2，是为了维护文件系统的结构和完整性；而文件的默认硬链接数是1，因为文件通常被认为是唯一的。

2.2 软连接：

ln -s 源 目标 #创建软连接

软连接就相当于Linux下的快捷方式（ln: link的简称）：

Linux中软连接（快捷方式）的用法：

现在是连接可执行程序，未来可能是连接头文件，连接库文件（动静态库）不用我们很冗余的去找这些库。

2.3 硬连接：

ln 源 目标 #创建硬链接

建立一个硬连接：

inode对比：

我们发现软连接的inode和原来的inode不同，而硬连接的inode则是与原来相同。

硬连接数：一旦建立好映射关系，就从1变成了2。

• 在当前目录下重新建立了文件名和inode之间的映射关系
• 这两个文件名经过该目录映射的是同一个inode。

软连接的连接数没有变化的原因是：这是个独立文件，因为它有独立inode。

引用计数没有变化，就证明了，软连接不是单纯的拿文件名和文件inode建立映射关系，要不然和硬
连接没区别了。

2.4 软硬连接的区别：

软连接：

• 软连接是一个独立文件，有自己独立的inode和inode编号。
• Linux下的快捷方式！
• 既然是一个独立文件，inode是独立的，软连接的文件内容是什么呢？？
• • 保存的是指向的文件的所在路径！！
• • 在系统级别保存的，我们开是看不到的。

硬连接：

• 硬链接不是一个独立文件，他和目标文件使用的是同一个inode！
• • 硬链接不是一个独立的文件，它是与原始文件共享相同的inode和数据块。
• • 硬链接与原始文件在文件系统中指向同一个数据块，它们是同一个文件的多个文件名。
• • 当你创建一个硬链接时，实际上是将一个新的文件名关联到原始文件的inode上。
• • 因此，硬链接并不会占用额外的磁盘空间，也不会存在独立的文件实体。
• • 对于文件系统来说，无论是原始文件还是硬链接，都只有一个实际的数据块。
• 由于硬链接与原始文件共享相同的inode，它们具有相同的权限、时间戳等元数据信息。
• • 如果修改了原始文件的内容或属性，所有与之相关联的硬链接文件都会反映这些更改。
• 注意细节：
• 需要注意的是，硬链接只能在同一个文件系统中创建，并且不能关联到目录。
• 删除一个硬链接只会减少硬链接计数，当硬链接计数降为零时，文件才会被真正删除，释放相应的磁盘空间。
• 什么是硬链接数？
• inode编号，不就是一个 “指针” 的概念吗？
• 本质就是改文件inode属性中的一个计数器，count，标识有几个文件名和我的inode建立了映射关系。
• 简言之，就是有几个文件名指向我的inode（文件本身）。
• 硬连接的作用：
• 路径间切换。