文件系统与链接

一、文件系统是什么

文件系统是操作系统里控制硬盘、组织数据的一套程序。

• 分区：把一块硬盘“打隔断”，分成一个个小空间；
• 文件系统：对每个小空间“做装修”，负责把里面的数据组织好。

所以：每个分区都要有一个文件系统，格式化（mkfs）就是“装修”的过程。

使用者 ──> block 块（文件系统管理单位） ──> n 个扇区（硬盘最小读写单位）

扇区通常 512B，文件系统以 block（默认 4K）为单位分配空间，一个 block 包含 8 个扇区。

二、文件系统的三大类块

一个文件由元数据 + 内容数据两部分组成，分别落在不同的块里：

/etc/passwd  ──>  [ inode #12345 ] ──> [ data block 1 ][ data block 2 ] ...
                    元数据              真正的文本内容

重要结论：文件名不存 inode 里。文件名和 inode 号的对应关系存在目录的 data block 里。这也是硬链接、软链接原理的根源。

三、查看文件系统

df -T
df -h
df -i
lsblk -f

四、磁盘“满”的两种情况

这是运维面试和故障排查的高频点：df -h 显示还有空间，但就是写不进去。

# 造 inode 耗尽（300 万个空文件，别在生产上试）
for ((i=1;i<=3000000;i++)); do touch $i.txt; done

# 造空间耗尽（30G 零字节文件）
dd if=/dev/zero of=/tmp/1.txt bs=10G count=3

# 动态观察 inode 使用
watch -n 1 "df -i | grep sda1"

快速释放一个已被进程打开的超大文件：直接 rm 可能不释放空间（进程还拿着 fd）。正确做法是先清空内容：> /path/bigfile（或 : > bigfile），再删。

清理 inode：先定位哪个目录小文件最多。

for d in /var/*; do echo -n "$d "; find "$d" -xdev -type f 2>/dev/null | wc -l; done
find /var/spool -type f -name "*.tmp" -delete

五、打开一个文件的底层流程

以 cat /etc/passwd 为例：

1. 从根目录 / 的 inode 开始（根 inode 号固定，ext4 通常是 2）
2. 读 / 的 data block，找到 "etc" 对应的 inode 号
3. 读 etc 的 data block，找到 "passwd" 对应的 inode 号
4. 读 passwd 的 inode，拿到权限、属主、数据块指针
5. 按指针把 data block 里的内容读进内存，交给 cat 输出

关键点：

• 目录也是文件：它的 inode 存元数据，data block 存“子文件名 → inode 号”的列表；
• 路径里每一级都要有 x 执行权限才能进去；
• 进程打开文件后，内核在进程的文件描述符表里记一项，指向系统的“打开文件表”，再指向 inode。所以 fd 是“进程视角的编号”，inode 是“磁盘视角的身份”。

六、硬链接与软链接

6.1 硬链接 hard link

ln /1.txt /2.txt

• 本质：两个文件名指向同一个 inode，inode 的链接数 +1。
• 特点：

ln /1.txt /2.txt
ls -li /1.txt /2.txt      # inode 号相同，链接数变成 2
rm /1.txt
cat /2.txt                # 依然能读

6.2 软链接 symbolic link

ln -s /1.txt /4.txt

• 本质：新建一个文件（有自己的 inode），它的 data block 里存的是目标文件的路径字符串。
• 特点：

ln -s /1.txt /4.txt
ls -li /1.txt /4.txt      # inode 号不同，4.txt 类型是 l
readlink /4.txt           # 看它指向谁

6.3 一表看懂

发布场景：程序解压到 /opt/app-1.24，再建软链接 /opt/app -> /opt/app-1.24。升级只改软链接，回滚也只改软链接，服务配置里始终写 /opt/app。

速查表

df -T; df -h; df -i
lsblk -f; findmnt; mount | column -t
stat /etc/passwd; ls -i /etc/passwd
ln a b; ln -s a b; ls -li; readlink b
dd if=/dev/zero of=/tmp/big bs=10G count=1
> /path/bigfile            # 清空已被进程占用的文件
watch -n 1 "df -i | grep sda1"

常见坑

1. df -h 有空间但写不进去 → 先看 df -i，多半是 inode 耗尽。
2. 删了文件空间没释放 → 进程还开着这个文件，lsof | grep deleted 查，重启进程或清空文件。
3. 硬链接跨分区必失败，这不是权限问题。
4. 软链接用相对路径创建，链接被移动后会断，建议用绝对路径。
5. rm 删除的是“文件名”，不是 inode；只有链接数归零且没有进程打开，空间才真正释放。
6. 目录的 x 权限决定能否进入，r 决定能否列出文件名，w 决定能否在里面增删文件。

watch -n 1 "df -i | grep sda1"

ln /1.txt /2.txt        # 硬链接
ln -s /1.txt /4.txt     # 软链接

ln -s /opt/app-1.24 /opt/app        # 首次
ln -sfn /opt/app-1.25 /opt/app      # 升级
ln -sfn /opt/app-1.24 /opt/app      # 回滚