Linux檔案操作(innode與軟硬連結)
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零.前言
上一節中我們學習了當檔案已經載入到記憶體中的操作，那麼作業系統是如何在磁碟中尋找檔案並載入到記憶體中的呢？本節將講述這一內容。
一、磁碟
要了解檔案在沒有開啟的時候的儲存情況，我們就需要了解儲存它的硬體：磁碟。 在計算機中磁碟屬於外設範疇，它是計算機內部的一個機械裝置。 磁碟分為機械磁碟和固態磁碟，目前的筆記本上基本都裝載的是固態磁碟。 磁碟的基本單位是扇區，每一個扇區大概儲存512k的資料量。 但是我們理解磁碟時要把它想象成條形結構來理解。就是將圓形磁碟看成矩形。
同時，我們又對這個長條形的磁碟分為不同大小的區域，就是所謂的C盤，D盤，E盤。
大部分計算機是隻有一個磁碟的，只是將其分為不同的區域。 同時，由於每一個盤的空間較大，因此我們需要繼續劃分管理。 我們將D盤分為很多個組來進行管理，它的組頭有一個BootBlock這是和啟動有關的。 而每一個組我們還要進行劃分管理，我們：
其中SuperBlock是與檔案結構相關的和GroupDescriptorTable是與組相關的。不過這兩個都不是本文的重點。 本文的重點在於理解BlockBitmap，inodeBitmap，inodeTable和DataBlocks。
二、檔案屬性與資料的儲存
1.inodeTable與Datablocks
當我們儲存一個檔案的時候，我們不僅要儲存它的屬性資訊還要儲存它的資料資訊。其中InodeTable與Datablocks分別存放的就是檔案的屬性資訊和資料資訊。 在InodeTable中有很多小塊，每一個小塊就是一個inode。它存放的是一個檔案的屬性資訊。 在Datablocks中和inodeTable是類似的，它包含很多block單元，每一個block單元儲存一定大小的資訊：
作業系統在尋找檔案時是使用inode編號來進行查詢的，而不是通過檔名，檔名是使用者層才進行使用的。Linux系統真正標識一個檔案，是通過inode編號。每一個檔案都有一個inode編號。同時在inode中還會存放檔案相對應的block塊中的編號。 如果是目錄檔案，它存放在DataBlock中的內容是目錄中的檔名與inode的對映關係。
2.InodeBitmap與BlockBitmap
InodeBitmap和BlockBitmap存放的是，InodeTable和DataBlocks的點陣圖。其中位元位的位置表示的是編號，位元位的內容表示的是是否被佔用。 比如：在InodeBitmap中的數字為0000 1010,表示的就是0號位的inode沒有被佔用，而1號位的inode已經被佔用了。 Blockmap同理。
3.舉例
我們通過舉一個例子來理解以上的內容：
mkdir tmp
cd tmp
touch hello.c
echo "hello bit" >hello.c
cat hello.c
rm hello.c
touch hello.c：在InodeBitmap中找到沒有被佔用的inode單元，把屬性的資訊存放進去。 echo "hello bit">hello.c：檢視BlockBitp中沒有使用的block單元，將其餘inode建立對映，並將檔案的內容存放進去。 cat hello.c：通過tmp的inode找到並檢視tmp的Datablock，找到與hello.c檔名形成對映關係的inode值，通過這個inode找到對應的hello.c檔案的Datablock，從而列印其中的內容。 rm hello.c：在tmp的DataBlock找到與檔名hello.c相對應的inode，只需要將inodeBitmap中的該inode位置的數字由1置為0即可。不需要對其的inodeTable與DataBlock進行操作。
這也就是為什麼檔案的刪除非常的快，因為沒有刪除屬性和資料，只是將是否有效刪掉了。而對比於windows系統的回收站，其實在回收站中的檔案並沒有被刪除掉，僅僅只是被換了一個目錄而已。當我們不小心刪除了檔案，最好的做法就是什麼都不做，避免內容被覆蓋掉。 同理,mv指令其實只是在移動檔名與inode的對映關係。
三、軟硬連結
在Linux系統下的軟硬連結，我們可以理解為快捷方式。 使用ln選項來建立軟硬連結：
ln -s//建立軟連結 ln //建立硬連結
這裡我們就建立了一個關於log.txt的軟連結log_s。
建立一個硬連結log_h。
如果是軟連結，軟連結的inode和檔案的inode是不同的。說明軟連結新建了一個檔案，它有自己的屬性資訊和資料塊(儲存的是所指檔案的路徑+檔名)。而硬連結的inode和原來檔案的inode是相同的，說明硬連結並沒有建立檔案，而是增加了目錄DataBlock中檔名和inode的對應關係。 前一個紅色框表示的是硬連結的個數，當我們建立硬連結時，硬連結和該檔案都變成了2。當該值為0的時候表示檔案被刪除。 當我們建立檔案的時候，該值為1，但是當我們建立一個目錄的時候，該值為2。
這是因為test目錄下的.也是該目錄的一個硬連結。當在該目錄下再建立一個目錄時，值為3，這是因為該目錄下的..也表示test目錄。
四、檔案的時間屬性
我們可以通過stat來檢視檔案的基本屬性，比如我們新建一個file.txt。並向其中寫入一定的內容。
stat file.txt
其中access，modify，change表示的就是檔案的三個時間屬性.
1.Access
Access表示的是檔案的最近一次被訪問時間，但是我們通過cat指令訪問檔案發現，檔案的access時間並沒有發生變化。 這是因為開啟檔案是一個高頻操作，為避免大量重複重新整理，在較新的Linux核心中，Access不會立即被重新整理，而是有一定的時間間隔OS才會自動更新時間。
2.Modify
Modify表示的是最近一次的修改時間，時間被實時更新。
echo "hello bit">>file.txt
3.change
最近一次修改檔案屬性的時間：
chomd u+x file.txt
注意，當修改檔案屬性的時候，Modify沒有發生變化。但是當修改檔案內容的時候，change有可能會發生變化。這是因為修改檔案內容一般都會修改檔案屬性，比如增加內容就會修改檔案的大小屬性。
4.Makefile判斷檔案更新的方式
mytest:test.c
gcc $^ -o [email protected]
.PHONY:clean
clean:
rm mytest
其中test.c為mytest所依賴的原始檔。當Makefile進行make的時候，會檢查mytest和test.c的Modify時間，正常來說肯定是test.c的Modify時間比mytest的更早(因為mytest是由test.c進行生成的)。如果我們更改了test.c中的內容，那麼test.c的Modify時間就會比mytest的晚，此時Makefile會執行相應的依賴方法。 我們還可以驗證一下：在沒改test.c的情況下進行touch(touch一個存在的檔案表示修改時間)，此時就可以進行make了。
五、總結
我們使用整個檔案的建立，使用以及刪除來對檔案操作進行總結。
1.touch file.txt
建立檔案，首先作業系統在InodeBitmap和BlockBitmap分別找到不為1的數字，將其下標作為該檔案的Inode和block的編號。並將之置為1，其中Inode只有一個，block可以有多個。
2.echo "I am the king of Asgard">>file.txt
將呼叫echo程序，先將標準輸出關閉(close(1))在該程序中將file.txt檔案使用系統呼叫函式open開啟， 首先通過目錄檔案的Blocktable，找到file.txt與inode的對映。然後通過該對映找到file.txt這個檔案以及它的內容，並載入到記憶體中，形成file結構體成為該程序的一個檔案。 file.txt獲得一個檔案描述符，存放在該程序的files結構體中，該檔案描述符就是原來標準輸出的檔案描述符：1。 程序通過列印函式向檔案描述符為1的檔案中列印內容，此時就是在向file.txt中列印內容。
3.rm file.txt
將InodeBitmap中表示file.txt檔案的的數字1置為0。