Linux 文件系统中的数据定位：inode 与 dentry 的技术解析
一、引言
Linux 是一个类 UNIX 操作系统，继承了 UNIX 系统的许多设计哲学，其中最核心的理念之一就是**“一切皆文件”**。在 Linux 中，几乎所有的资源都被抽象为文件，这不仅包括普通的文本文件、图像文件等，还包括硬件设备、系统信息、进程状态等。通过这种设计，Linux 实现了设备无关性，用户无需关心底层硬件的细节，只需通过文件操作即可访问和管理这些资源。
Linux 的应用场景非常广泛，从传统的服务器、桌面计算机到嵌入式设备、智能手机、网络路由器等，几乎所有现代计算平台都可以运行 Linux。文件系统在这些设备中扮演着关键角色，不仅用于存储用户数据，还负责管理系统配置、硬件设备的接口、以及内核的运行状态。文件系统的结构和性能直接影响到系统的稳定性、安全性和资源管理能力。
理解 Linux 文件系统，不仅是系统管理员和开发人员的基础技能，也为深入了解操作系统的工作原理和调试技巧提供了必要的知识基础。本文将介绍 Linux 文件系统的基本概念、常见的文件系统类型、目录结构、权限管理等内容，帮助读者深入理解 Linux 系统的内部机制。
二、文件系统基础概念
文件系统是操作系统中负责管理持久数据的核心子系统。简单来说，它负责将用户的文件存储到磁盘等持久存储设备中，确保即使计算机断电，磁盘上的数据也不会丢失，从而实现数据的持久化存储。
文件系统的基本数据单位是“文件”。文件系统的主要目的是对磁盘上的文件进行有效的组织和管理。不同的组织方式，形成了不同类型的文件系统。
Linux 文件系统为每个文件分配了两个关键的数据结构：索引节点（inode） 和 目录项（dentry）。这两个数据结构分别用于记录文件的元信息和目录层次结构。
1. 索引节点（inode）
索引节点（inode）是 Linux 文件系统中用于记录文件元信息的数据结构。它包含以下信息：
- 文件的大小、类型；
- 访问权限、拥有者；
- 创建时间、修改时间；
- 数据块的位置等。
每个文件都对应一个唯一的 inode，inode 是文件的唯一标识符。在磁盘中，inode 占据一定的空间，文件的所有元数据都保存在 inode 中，除了文件名。
inode信息
使用 ls -i 命令可以方便地查看文件对应的 inode 值。该命令会显示文件或目录的 inode 编号。
 12.06.45.png)
使用 stat filename 命令可以查看文件的 inode 信息及其详细元数据。该命令会显示文件的 inode 编号、权限、大小、修改时间等信息。
inode 结构体
inode结构体
struct inode {struct hlist_node i_hash; // 哈希表struct list_head i_list; // 索引节点链表struct list_head i_dentry; // 目录项链表unsigned long i_ino; // 节点号atomic_t i_count; // 引用记数umode_t i_mode; // 访问权限控制unsigned int i_nlink; // 硬链接数uid_t i_uid; // 使用者idgid_t i_gid; // 使用者id组kdev_t i_rdev; // 实设备标识符loff_t i_size; // 以字节为单位的文件大小struct timespec i_atime; // 最后访问时间struct timespec i_mtime; // 最后修改(modify)时间struct timespec i_ctime; // 最后改变(change)时间unsigned int i_blkbits; // 以位为单位的块大小unsigned long i_blksize; // 以字节为单位的块大小unsigned long i_version; // 版本号unsigned long i_blocks; // 文件的块数unsigned short i_bytes; // 使用的字节数spinlock_t i_lock; // 自旋锁struct rw_semaphore i_alloc_sem; // 索引节点信号量struct inode_operations *i_op; // 索引节点操作表struct file_operations *i_fop; // 默认的索引节点操作struct super_block *i_sb; // 相关的超级块struct file_lock *i_flock; // 文件锁链表struct address_space *i_mapping; // 相关的地址映射struct address_space i_data; // 设备地址映射struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS]; // 节点的磁盘限额struct list_head i_devices; // 块设备链表struct pipe_inode_info *i_pipe; // 管道信息struct block_device *i_bdev; // 块设备驱动unsigned long i_dnotify_mask; // 目录通知掩码struct dnotify_struct *i_dnotify; // 目录通知unsigned long i_state; // 状态标志unsigned long dirtied_when; // 首次修改时间unsigned int i_flags; // 文件系统标志unsigned char i_sock; // 套接字atomic_t i_writecount; // 写者记数void *i_security; // 安全模块__u32 i_generation; // 索引节点版本号union {void *generic_ip; // 文件特殊信息} u;
};
2. 目录项（dentry）
目录项（dentry）是 Linux 文件系统中的一个关键概念，负责在内核中记录文件名与 inode（索引节点）之间的对应关系。与 inode 不同，目录项并不会被存储在磁盘中，而是由内核在内存中维护。它的作用是帮助内核将文件路径中的每个部分映射到实际的 inode，从而使得文件系统能够通过文件路径快速找到对应的文件数据。通过这种机制，Linux 文件系统能够高效地处理文件路径解析。
目录项和 inode 之间存在一种多对一的关系。也就是说，多个目录项可以指向同一个 inode。例如，通过硬链接，多个文件名可以指向同一个文件的数据块，它们通过不同的目录项共享相同的 inode。这种设计提供了更高的灵活性和效率，使得多个文件名能够引用同一个文件内容，而不需要重复存储数据。这种方式常用于减少磁盘空间的浪费，同时简化文件管理。
为了提高文件系统访问的效率，内核会将目录项缓存在内存中。这样，当我们访问某个目录时，内核首先会检查该目录的目录项是否已经缓存。如果缓存中存在相关信息，内核可以直接使用内存中的数据，而无需每次都从磁盘读取。只有在缓存中没有相关目录项时，内核才会从磁盘读取目录内容，并将其存储到内存中。这种缓存机制显著减少了磁盘 I/O 操作，提高了文件系统的访问速度。
需要注意的是，虽然目录项和目录在名字上相似，但它们是不同的概念。目录是一个特殊的文件，持久存储在磁盘上，包含指向其他文件或子目录的目录项。而目录项只是内核在内存中维护的结构，它记录文件名与 inode 之间的映射，并不直接存储在磁盘上。通过目录项和 inode 的协作，Linux 文件系统能够高效地组织和管理文件，同时支持硬链接和文件路径解析等复杂功能。
目录项结构图
dentry结构体
struct dentry {/* RCPU 查找相关字段 */unsigned int d_flags; /* 受 d_lock 保护: dentry 状态的标志位 */seqcount_t d_seq; /* 每个 dentry 的序列锁: 用于控制并发访问 */struct hlist_bl_node d_hash; /* 查找哈希列表: 用于基于哈希的 dentry 查找 */struct dentry *d_parent; /* 父目录: 指向父级 dentry */struct qstr d_name; /* dentry 名称: 存储文件名 */struct inode *d_inode; /* 所属 inode: 文件名对应的 inode，若为 NULL 说明该文件不存在 */unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; /* 小文件名: 内联存储小文件名 *//* 引用查找时也会访问以下字段 */unsigned int d_count; /* 受 d_lock 保护: 引用计数 */spinlock_t d_lock; /* 每个 dentry 的锁: 用于同步访问 */const struct dentry_operations *d_op; /* dentry 操作: 针对该 dentry 的操作集 */struct super_block *d_sb; /* dentry 树的根: 指向 super block */unsigned long d_time; /* 用于 d_revalidate: 重验证时间戳 */void *d_fsdata; /* 文件系统特定数据: 文件系统特定的 dentry 数据 */struct list_head d_lru; /* LRU 列表: 用于最近最少使用（LRU）管理 *//* d_child 和 d_rcu 可以共享内存 */union {struct list_head d_child; /* 父目录下的子项: 存储子目录的列表 */struct rcu_head d_rcu; /* 用于 RCPU（读-复制-更新） */} d_u;struct list_head d_subdirs; /* 子目录列表: 当前目录下的子目录 */struct list_head d_alias; /* inode 别名列表: 指向此 dentry 的 inode 列表 */
};
3. 目录与目录项的区别
- 在 Linux 文件系统中，每一个文件夹本质上都是一个目录文件。它是特殊类型的文件，内容是该目录下所有子文件的目录项（
dentry）。每个目录文件通过一个唯一的 inode 节点进行标识。 - 目录项（
dentry）是内核中的一种缓存结构，用于将文件名映射到对应的 inode 节点。它保存在内存中，不会写入磁盘，用于加速文件路径的查找过程。
📁 查看目录
🔍 查看目录项（dentry）
三、Linux目录结构
根目录 / 的作用
根目录 / 是整个 Linux 文件系统的起点，是所有路径的根。所有挂载的设备、系统目录和用户数据，最终都以某种方式挂载在根目录下。它是系统启动和运行的基础。
常见目录
| 目录路径 | 作用说明 |
|---|---|
/bin | 存放基本命令，供所有用户使用，如 ls、cp、rm 等。 |
/sbin | 存放系统管理员使用的管理类命令，如 reboot、fdisk。 |
/etc | 存放系统配置文件，例如网络配置、用户账号信息等。 |
/home | 普通用户的家目录，每个用户在此有独立文件夹，如 /home/alice。 |
/root | 超级用户（root）的家目录。 |
/dev | 存放设备文件，硬盘、终端等设备以文件形式存在此目录中。 |
/proc | 虚拟文件系统，包含内核、进程等信息，如 /proc/cpuinfo、/proc/[pid]。 |
/var | 存放经常变动的数据，如日志文件、缓存、邮件队列等。 |
/tmp | 临时文件目录，系统和用户临时使用的数据存放在这里，重启后可能会被清除。 |
/usr | 存放共享的只读数据，如应用程序、库文件、头文件等。 |
/lib | 存放系统运行所需的基本共享库。 |
/mnt | 临时挂载文件系统的挂载点。 |
/media | 自动挂载可移动设备（如U盘、光盘）的挂载点。 |
/boot | 存放启动引导相关文件，如内核镜像和引导加载器（GRUB）配置。 |
/opt | 存放第三方软件的可选安装包。 |
四、文件链接
硬链接
多个文件名指向同一个 inode，这些文件名共享相同的文件内容。当你创建一个硬链接时，系统会增加该 inode 的链接计数，而不是复制文件内容。链接计数表示指向该 inode 的文件名数量。只有当所有指向该 inode 的硬链接被删除时，文件的实际数据才会被删除。
特点
- 共享 inode：硬链接与原文件共享同一个 inode 号码，它们实际上是对同一数据块的引用。
- 修改共享文件内容：对硬链接文件进行修改，所有指向该 inode 的硬链接都会反映这些修改，因为它们指向的是同一份数据。
- 删除不影响其他链接：删除一个硬链接文件不会影响其他链接，只有所有指向该 inode 的硬链接都被删除后，数据才会被清除。
- 不可跨文件系统：硬链接只能在同一文件系统中创建，因为 inode 是特定于文件系统的。
- 目录不能创建硬链接：通常，不允许对目录创建硬链接，以避免形成循环引用或复杂的目录结构。
软链接
软连接（符号链接）的原理是创建一个独立的文件，该文件包含指向目标文件路径的字符串，而不是直接存储文件的数据。软连接有自己的 inode 和数据块，其中的数据块存放的是目标文件的路径。访问软连接时，系统会解析该路径并重定向到目标文件。与硬链接不同，软链接可以跨文件系统创建，因为它仅存储目标文件的路径，而不是直接指向文件的 inode。当目标文件被删除或移动时，软链接会变成一个悬挂链接，访问时会报错找不到目标文件。
区别
| 特性 | 硬链接 (Hard Link) | 软链接 (Symbolic Link) |
|---|---|---|
| inode | 共享同一个 inode，多个文件名指向同一个 inode | 拥有独立的 inode，存储的是目标文件的路径字符串 |
| 跨文件系统 | 不能跨文件系统，因为 inode 是特定于文件系统的 | 可以跨文件系统，存储的是文件路径而非 inode |
| 删除影响 | 只有当所有指向 inode 的硬链接被删除时，文件数据才会被清除 | 当目标文件删除或移动时，软链接会变为悬挂链接 |
| 目录支持 | 不允许对目录创建硬链接（防止循环引用等问题） | 可以对目录创建软链接 |
| 修改内容 | 修改任何一个硬链接的内容会影响所有硬链接 | 修改目标文件内容会影响软链接所指向的文件内容 |
| 创建命令 | ln file1.txt link1.txt | ln -s file1.txt symlink.txt |
五、挂载与管理
挂载原理
挂载是指将一个存储设备（如硬盘、U盘、光盘等）或分区与操作系统中的一个目录进行关联的过程，使得用户可以通过该目录访问存储设备或分区中的数据。在挂载之前，存储设备需要进行分区和格式化，确保其能够与操作系统兼容。
具体流程如下：
- 分区：在硬盘中划分出一个或多个逻辑分区，以便系统管理和使用。
- 格式化：为每个分区选择合适的文件系统（如 ext4、NTFS 等）进行格式化，以便操作系统能够读写数据。
- 挂载：将格式化后的分区或设备与系统中的一个空目录（通常是空的挂载点）关联起来。挂载后的设备可以通过该目录来访问。例如，挂载一个硬盘到
/mnt/data目录下，用户就可以通过该目录访问硬盘中的数据。
挂载后的设备会在指定的挂载点目录下显示其内容，而操作系统会将文件系统中的数据映射到该目录中。挂载的过程通常使用 mount 命令，在 Linux 系统中，执行完挂载后，用户便可以通过该挂载点进行读写操作。
常用命令
mount
用于挂载文件系统，将设备或分区挂载到某个目录下，使用户能够通过该目录访问设备中的数据。
mount <设备> <挂载点>
mount /dev/sdb1 /mnt/mydisk
这会将 /dev/sdb1 硬盘分区挂载到 /mnt/mydisk 目录。
常用选项：
-t <文件系统类型>：指定文件系统类型（如ext4,ntfs）。-o <选项>：挂载时的额外选项（如rw可读写、ro只读）。
umount
用于卸载已经挂载的文件系统，释放资源，确保数据写入并正确断开设备。
umount <设备或挂载点>
umount /mnt/mydisk
这会卸载 /mnt/mydisk 目录上的文件系统，确保没有数据丢失。
df
用于显示文件系统的磁盘空间使用情况，包括挂载的设备、可用空间、已用空间等信息。
df
df -h
这会以人类可读的格式（例如 MB、GB）显示所有挂载设备的磁盘空间使用情况。
常用选项：
-h：以易读的格式显示（自动转换为 KB, MB, GB）。-T：显示文件系统类型。-a：显示所有文件系统的信息，包括虚拟文件系统。
du
用于显示磁盘空间的使用情况，特别是某个目录或文件的大小。
du <目录或文件>
du -sh /mnt/mydisk
这会显示 /mnt/mydisk 目录的总大小，并以易读的格式（如 MB, GB）展示。
- 挂载设备的原理
- 常用命令：
mount、umount、df、du - 简要说明
/etc/fstab的用途
六、参考文章
- Linux文件系统详解(文件系统层次、分类、存储结构、存储介质、文件节点inode)https://blog.csdn.net/yuexiaxiaoxi27172319/article/details/45241923
- 一口气搞懂「文件系统」，就靠这 25 张图了https://www.cnblogs.com/xiaolincoding/p/13499209.html
- 深入理解基于Linux文件系统原理与实现https://zhuanlan.zhihu.com/p/443307193