文件、目录与 inode：持久化的核心抽象

一句话定义

文件是"未解释的字节序列"这一极简抽象；文件的真实身份是 inode（索引节点），目录只是"名字到 inode 号"的映射表，硬链接与软链接正是这一模型的两个自然推论。

为什么重要

"一切皆文件"是 UNIX 设计哲学的基石——设备、管道、套接字都以文件接口呈现（呼应 kp-026 的 VFS）。而 inode 模型则解释了大量日常现象：为什么删除大文件空间没释放（fd 未关）、为什么 inode 会耗尽但磁盘明明有空间、为什么 mv 同分区文件瞬间完成。

前置知识

kp-003（文件操作走系统调用）；kp-018（文件页驻留内存的概念）。

核心概念

• inode：文件的元数据实体：权限、属主、大小、时间戳、链接计数、数据块指针；不含文件名。
• 目录项（dentry）：目录文件中的一条"文件名 → inode 号"记录；目录本身也是文件。
• 硬链接：同一 inode 的多个名字，ln 创建，删除任一名字只是链接计数减一。
• 软链接（符号链接）：独立的新文件，内容是另一个路径字符串，可跨文件系统、可指向不存在的目标。
• 文件描述符（fd）：进程打开文件后得到的句柄，指向内核打开文件表（含偏移量）。
• 路径解析：从根 dentry 出发逐级查目录，内核用 dentry cache 加速。

原理与机制

一次 open("/home/a.txt") 的内核路径：

"/"          -> 根目录 inode
"home"       -> 读根目录数据块, 找到 home 的 inode 号
"a.txt"      -> 读 home 目录数据块, 找到 a.txt 的 inode 号
             -> 读 inode, 权限校验, 创建打开文件表项, 返回 fd

inode 的数据块指针策略：小文件直接指针；更大用一级/二级/三级间接块（ext2 模型），现代 ext4 改用 extent（起始块+长度连续区间），长文件开销从 O(指针数) 降为 O(extent 数)。删除文件 = 目录项移除 + 链接计数减一；计数归零且无进程持有 fd 时，inode 与数据块才真正回收——这就是"文件被删，日志进程还在写，空间不释放"的机制解释。

图示

目录文件(名字->inode号)        inode 表                 数据块
[ a.txt -> #1024 ] --------> inode #1024 (nlink=2) --> +--------+
[ b.txt -> #1024 ] --------> (同一inode: b.txt 是硬链接) | 文件内容 |
[ s.txt -> #4096 ] --> inode #4096: 内容是 "/home/a.txt" (软链接)

直观类比

inode 像人的身份证（唯一、记录全部档案），文件名像常用称呼——可以有好几个称呼（硬链接）指向同一张身份证；软链接像一张写着"他住在哪"的便条，人搬走了便条就失效。目录则是一份通讯录：只有"称呼→身份证号"的映射，别无其他。

实例或案例

stat a.txt              # inode 号、链接数、时间戳全景
ls -i                   # 列目录项的 inode 号
ln a.txt hard && rm a.txt && cat hard   # 硬链接: 删原名数据仍在(nlink 未到 0)
ln -s /nonexist broken && ls -l broken   # 悬空软链接
df -i                   # inode 使用率: 小文件海可耗尽 inode 而 df 显示有空间

经典排查：lsof | grep deleted 找出"已删除但仍被进程持有"的大文件，重启或重启该进程后空间回收。

常见误区

• 认为文件名属于文件：名字只存在于目录数据中，重命名只是改一条目录项。
• 认为跨文件系统可以硬链接：inode 号只在单个文件系统内唯一，跨系统只能用软链接。
• 认为 fd 就是从 0 开始的连续小数字所以随便记：0/1/2 是约定（标准输入/输出/错误），其余由内核分配，并发下要小心复用竞态。

与其他知识点的关系

目录查找的缓存（dentry cache）由 kp-015 的 RCU 保护；文件页的驻留与回收连接 kp-027 页缓存；磁盘上 inode 与数据块的具体排布是 kp-023 的主题。

延伸阅读

《UNIX 操作系统设计》第 4 章；《操作系统导论》文件与目录章节。

自测题

1. 删除文件时内核做了什么、何时真正释放空间？

答：移除目录项并把 inode 链接计数减一；计数归零且无进程打开该文件时，inode 与数据块标记为空闲，空间才释放。

1. 硬链接与软链接的本质区别？

答：硬链接是同一 inode 的另一个名字，与原文件完全平等；软链接是存着路径字符串的独立文件，解析时重定向，可跨文件系统且可悬空。

1. 为什么 mv 同一分区是瞬时操作？

答：同分区内 mv 只改目录项（名字→inode 映射），不移动任何数据块；跨分区则退化为复制加删除。