Linux 文件系统

一切皆文件

Linux 最核心的设计哲学之一是 "一切皆文件"（Everything is a file）。不仅普通文档是文件，目录、设备、管道、Socket 都被抽象为文件，统一通过 open() / read() / write() / close() 系统调用操作。

这种抽象的好处是 统一接口：程序不需要知道自己在操作的是磁盘文件还是网络 Socket，只需要用同一套系统调用即可。

inode：文件的身份证

在 Linux 文件系统中，文件名只是一个标签，文件的真正身份是 inode（索引节点）。

  目录项 (dentry)              inode                  数据块 (data blocks)
┌──────────────┐        ┌──────────────┐        ┌─────────────────┐
│ 文件名: foo.txt│──────▶│ inode 编号: 42│──────▶│ 实际文件内容      │
│ inode: 42    │        │ 文件大小: 1024│        │ Hello World...  │
└──────────────┘        │ 权限: 644    │        └─────────────────┘
                        │ 所有者: root │        ┌─────────────────┐
                        │ 时间戳      │──────▶│ 更多数据块...     │
                        │ 数据块指针   │        └─────────────────┘
                        │ 链接计数: 1  │
                        └──────────────┘

inode 存储的信息

关键理解：inode 不存储文件名。文件名存储在目录项（dentry）中，目录项是"文件名 → inode 编号"的映射关系。

数据块指针结构

对于大文件，inode 使用多级间接指针来寻址数据块：

inode
├── 直接指针 ×12          → 直接指向数据块（最多 48KB）
├── 一级间接指针 ×1       → 指向一个指针块 → 数据块
├── 二级间接指针 ×1       → 指针块 → 指针块 → 数据块
└── 三级间接指针 ×1       → 指针块 → 指针块 → 指针块 → 数据块

假设块大小 4KB，指针 4B：
- 直接: 12 × 4KB = 48KB
- 一级: 1024 × 4KB = 4MB
- 二级: 1024² × 4KB = 4GB
- 三级: 1024³ × 4KB = 4TB

硬链接与软链接

硬链接（Hard Link）

硬链接是多个目录项指向同一个 inode。就像一个人有多个名字（身份证号只有一个）。

目录项 A                 inode 42
┌──────────┐       ┌──────────────┐
│ foo.txt  │──────▶│ 链接计数: 2  │──────▶ 数据块
└──────────┘       └──────────────┘
                         ▲
目录项 B            │
┌──────────┐       │
│ bar.txt  │───────┘
└──────────┘

删除 foo.txt → 链接计数变为 1 → 数据不删除
删除 bar.txt → 链接计数变为 0 → 数据被释放

# 创建硬链接
ln foo.txt bar.txt

# 验证：两者的 inode 编号相同
ls -li foo.txt bar.txt
# 42 -rw-r--r-- 2 user group 1024 foo.txt
# 42 -rw-r--r-- 2 user group 1024 bar.txt

软链接（符号链接 / Symbolic Link）

软链接是一个独立的文件，其内容是目标文件的路径字符串。类似 Windows 的快捷方式。

目录项                   inode 100            数据块
┌──────────┐       ┌──────────────┐    ┌──────────────┐
│ link.txt │──────▶│ 类型: 符号链接│───▶│ "/path/foo"  │
└──────────┘       └──────────────┘    └──────────────┘
                                              │
                                              ▼ 访问时解析路径
                   inode 42
                   ┌──────────────┐
                   │ 实际文件数据   │
                   └──────────────┘

# 创建软链接
ln -s foo.txt link.txt

# 验证：两者的 inode 编号不同
ls -li foo.txt link.txt
# 42  -rw-r--r-- 1 user group 1024 foo.txt
# 100 lrwxrwxrwx 1 user group    7 link.txt -> foo.txt

硬链接 vs 软链接

文件权限模型

Linux 文件权限分为三组，每组三个位：

    所有者(u)  所属组(g)  其他人(o)
      rwx       rwx       rwx
      421       421       421

示例: -rwxr-xr-- = 754
  │    │││ │││ │││
  │    │││ │││ └── 其他人: r-- = 4 (只读)
  │    │││ └── 所属组: r-x = 5 (读+执行)
  │    └── 所有者: rwx = 7 (读+写+执行)
  └── 文件类型: - (普通文件)

权限含义

特殊权限位

# SetUID 示例: passwd 命令需要修改 /etc/shadow（root 才能写）
ls -l /usr/bin/passwd
# -rwsr-xr-x 1 root root 68208 passwd
#    ^-- SetUID: 普通用户执行时临时获得 root 权限

# Sticky Bit 示例: /tmp 目录
ls -ld /tmp
# drwxrwxrwt 10 root root 4096 /tmp
#          ^-- Sticky: 所有人都能创建文件，但只能删除自己的

常用权限命令

# 修改权限（数字方式）
chmod 755 script.sh      # rwxr-xr-x

# 修改权限（符号方式）
chmod u+x script.sh      # 给所有者加执行权限
chmod go-w file.txt      # 去掉组和其他人的写权限
chmod a+r file.txt       # 给所有人加读权限

# 修改所有者
chown user:group file.txt

# 查看默认权限掩码
umask                     # 通常是 022
# 新文件权限 = 666 - 022 = 644 (rw-r--r--)
# 新目录权限 = 777 - 022 = 755 (rwxr-xr-x)

ext4 文件系统

ext4（Fourth Extended Filesystem）是 Linux 最常用的文件系统。它在 ext3 基础上做了大量改进：

Extent 机制

ext4 引入了 Extent 取代传统的间接块映射。Extent 记录的是连续的磁盘块区间：

传统方式（ext3）: 逐个记录每个块号
  inode → [块1] [块2] [块3] [块4] [块5] ...
  一个 1GB 文件需要约 26 万个块指针

Extent 方式（ext4）: 记录起始块 + 长度
  inode → [起始块=100, 长度=256000]
  一个 1GB 的连续文件只需要 1 个 Extent

这大大减少了元数据开销，也提高了大文件的读写性能。

生产高频题

inode 是什么？一个文件可以有多个文件名吗？

inode 是文件系统中存储文件元数据的数据结构，包含权限、大小、时间戳、数据块指针等，但不包含文件名。一个文件可以有多个文件名——通过硬链接实现，多个目录项指向同一个 inode。

软链接和硬链接的区别？

硬链接是同一个 inode 的多个目录项，删除原文件不影响硬链接，但不能跨文件系统、不能链接目录。软链接是独立的文件（有自己的 inode），存储的是目标路径，删除原文件后软链接悬挂，但可以跨文件系统和链接目录。

为什么删除文件后磁盘空间没有释放？

可能还有进程持有该文件的文件描述符（fd）。Linux 中文件的实际删除发生在 inode 的链接计数降为 0 且没有进程打开该文件 时。使用 lsof | grep deleted 可以查找这类文件。