如何監控Linux文件系統事件：inotify使用指南
從文件管理器到安全工具，文件系統監控對于的許多程序來說都是必不可少的。從 Linux 2.6.13 內核開始，Linux 就推出了 inotify，允許監控程序打開一個獨立文件描述符，并針對事件集監控一個或者多個文件，例如打開、關閉、移動/重命名、刪除、創建或者改變屬性。在后期的內核中有了很多增強，因此在依賴這些特性之前，請先檢查您的內核版本。
在本文中，您將會學習如何在簡單的監控應用程序中使用 inotify 功能。下載樣例代碼，在您的系統上編譯，進一步探索。
歷史簡介
在 inotify 之前有 dnotify。不幸的是，dnotify 有局限性，用戶需要更好的產品。和 dnotify 相比 inotify 的優勢如下：
- Inotify 使用一個獨立的文件描述符，而 dnotify 需要為每個受監控的目錄打開一個文件描述符。當您同時監控多個目錄時成本會非常高，而且還會遇到每進程文件描述符限制。
- Inotify 所使用的文件描述符可以通過系統調用獲得，并且沒有相關設備或者文件。而使用 dnotify，文件描述符就固定了目錄，妨礙備用設備卸載，這是可移動媒體的一個典型問題。對于 inotify，卸載的文件系統上的監視文件或目錄會產生一個事件，而且監視也會自動移除。
- Inotify 能夠監視文件或者目錄。Dnotify 則只監視目錄，因此程序員還必須保持 stat 結構或者一個等效的數據結構，來反映該被監視目錄中的文件，然后在一個事件發生時，將其與當前狀態進行對比，以此了解當前目錄中的條目發生了什么情況。
- 如上所述，inotify 使用文件描述符，允許程序員使用標準 select 或者 poll 函數來監視事件。這允許高效的多路復用 I/O 或者與 Glib 的 mainloop 的集成。相比之下，dnotify 使用信號，這使得程序員覺得比較困難或者不夠流暢。在 2.6.25 內核中 inotify 還添加了 Signal-drive I.O 通知功能。
用于 inotify 的 API
Inotify 提供一個簡單的 API，使用最小的文件描述符，并且允許細粒度監控。與 inotify 的通信是通過系統調用實現。可用的函數如下所示：
- inotify_init
- 是用于創建一個 inotify 實例的系統調用，并返回一個指向該實例的文件描述符。
- inotify_init1
- 與 inotify_init 相似，并帶有附加標志。如果這些附加標志沒有指定，將采用與 inotify_init 相同的值。
- inotify_add_watch
- 增加對文件或者目錄的監控，并指定需要監控哪些事件。標志用于控制是否將事件添加到已有的監控中，是否只有路徑代表一個目錄才進行監控，是否要追蹤符號鏈接，是否進行一次性監控，當***事件出現后就停止監控。
- inotify_rm_watch
- 從監控列表中移出監控項目。
- read
- 讀取包含一個或者多個事件信息的緩存。
- close
- 關閉文件描述符，并且移除所有在該描述符上的所有監控。當關于某實例的所有文件描述符都關閉時，資源和下層對象都將釋放，以供內核再次使用。
因此，典型的監控程序需要進行如下操作：
- 使用 inotify_init 打開一個文件描述符
- 添加一個或者多個監控
- 等待事件
- 處理事件，然后返回并等待更多事件
- 當監控不再活動時，或者接到某個信號之后，關閉文件描述符，清空，然后退出。
在下一部分中，您將看到可以監控的事件，它們如何在簡單的程序中運行。***，您將看到事件監控如何進行。
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通告
當您的應用程序讀取到一個通告時，事件的順序也被讀取到您提供的緩存中。事件在一個變長結構中被返回，如清單 1 所示。如果數據占滿了您的緩存，您可能需要對***一個條目進行局部事件信息或者局部名處理。
清單 1. 用于 inotify 的事件結構體
struct inotify_event
{
int wd; /* Watch descriptor. */
uint32_t mask; /* Watch mask. */
uint32_t cookie; /* Cookie to synchronize two events. */
uint32_t len; /* Length (including NULs) of name. */
char name __flexarr; /* Name. */
};
請注意，只有當監控對象是一個目錄并且事件與目錄內部相關項目有關，而與目錄本身無關時，才提供 name 字段。如果 IN_MOVED_FROM 事件與相應的 IN_MOVED_TO 事件都與被監控的項目有關，cookie 就可用于將兩者關聯起來。事件類型在掩碼字段中返回，并伴隨著能夠被內核設置的標志。例如，如果事件與目錄有關，則標志 IN_ISDIR 將由內核設置。
可監控的事件
有幾種事件能夠被監控。一些事件，比如 IN_DELETE_SELF 只適用于正在被監控的項目，而另一些，比如 IN_ATTRIB 或者 IN_OPEN 則只適用于監控過的項目，或者如果該項目是目錄，則可以應用到其所包含的目錄或文件。
- IN_ACCESS
- 被監控項目或者被監控目錄中的條目被訪問過。例如，一個打開的文件被讀取。
- IN_MODIFY
- 被監控項目或者被監控目錄中的條目被修改過。例如，一個打開的文件被修改。
- IN_ATTRIB
- 被監控項目或者被監控目錄中條目的元數據被修改過。例如，時間戳或者許可被修改。
- IN_CLOSE_WRITE
- 一個打開的，等待寫入的文件或目錄被關閉。
- IN_CLOSE_NOWRITE
- 一個以只讀方式打開的文件或目錄被關閉。
- IN_CLOSE
- 一個掩碼，可以很便捷地對前面提到的兩個關閉事件（IN_CLOSE_WRITE | IN_CLOSE_NOWRITE）進行邏輯操作。
- IN_OPEN
- 文件或目錄被打開。
- IN_MOVED_FROM
- 被監控項目或者被監控目錄中的條目被移出監控區域。該事件還包含一個 cookie 來實現 IN_MOVED_FROM 與 IN_MOVED_TO 的關聯。
- IN_MOVED_TO
- 文件或目錄被移入監控區域。該事件包含一個針對 IN_MOVED_FROM 的 cookie。如果文件或目錄只是被重命名，將能看到這兩個事件，如果它只是被移入或移出非監控區域，將只能看到一個事件。如果移動或重命名一個被監控項目，監控將繼續進行。參見下面的 IN_MOVE-SELF。
- IN_MOVE
- 可以很便捷地對前面提到的兩個移動事件（IN_MOVED_FROM | IN_MOVED_TO）進行邏輯操作的掩碼。
- IN_CREATE
- 在被監控目錄中創建了子目錄或文件。
- IN_DELETE
- 被監控目錄中有子目錄或文件被刪除。
- IN_DELETE_SELF
- 被監控項目本身被刪除。監控終止，并且將收到一個 IN_IGNORED 事件。
- IN_MOVE_SELF
- 監控項目本身被移動。
除了事件標志以外，還可以在 inotify 頭文件（/usr/include/sys/inotify.h）中找到其他幾個標志。例如，如果只想監控***個事件，可以在增加監控時設置 IN_ONESHOT 標志。
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一個簡單的 inotify 應用程序
這里的簡單應用程序（參見 下載 部分）遵循以上的通用邏輯。我們使用一個信號處理程序來監控 ctrl-c（SIGINT）并且重置一個標志（keep_running）使應用程序了解終止操作。真實的 inotify 調用在 utility 例程當中完成。注意，我們還創建了一個隊列，這樣能夠將事件從 inotify 底層對象中清除，留著稍后處理。在真實的應用程序中，您可能想用一個不同于您處理事件所用的線程（具有更高優先級）來完成這一操作。對于該應用程序，只是為了對一般原理進行舉例說明。我們采用了一個簡單的事件鏈表，在其中我們隊列中的每個條目都包含原始事件以及指向隊列中下一事件指針的空間。
主程序
清單 2 中展示了信號處理例程和主例程。在這個簡單示例中，在命令行對每個傳遞進來的文件會目錄建立監控，并利用事件掩碼 IN_ALL_EVENTS 來監控每個對象的所有事件。在真實的應用程序中，您可能只希望跟蹤文件與目錄的創建或刪除事件，因此您可以屏蔽打開、關閉以及屬性改變事件。如果您對文件或目錄的重命名和移動不感興趣，您也可以屏蔽各種移動事件。關于更多細節，參見 inotify 幫助信息。
清單 2. inotify-test.c 的簡單主程序
/* Signal handler that simply resets a flag to cause termination */
void signal_handler (int signum)
{
keep_running = 0;
}
int main (int argc, char **argv)
{
/* This is the file descriptor for the inotify watch */
int inotify_fd;
keep_running = 1;
/* Set a ctrl-c signal handler */
if (signal (SIGINT, signal_handler) == SIG_IGN)
{
/* Reset to SIG_IGN (ignore) if that was the prior state */
signal (SIGINT, SIG_IGN);
}
/* First we open the inotify dev entry */
inotify_fd = open_inotify_fd ();
if (inotify_fd > 0)
{
/* We will need a place to enqueue inotify events,
this is needed because if you do not read events
fast enough, you will miss them. This queue is
probably too small if you are monitoring something
like a directory with a lot of files and the directory
is deleted.
*/
queue_t q;
q = queue_create (128);
/* This is the watch descriptor returned for each item we are
watching. A real application might keep these for some use
in the application. This sample only makes sure that none of
the watch descriptors is less than 0.
*/
int wd;
/* Watch all events (IN_ALL_EVENTS) for the directories and
files passed in as arguments.
Read the article for why you might want to alter this for
more efficient inotify use in your app.
*/
int index;
wd = 0;
printf("\n");
for (index = 1; (index < argc) && (wd >= 0); index++)
{
wd = watch_dir (inotify_fd, argv[index], IN_ALL_EVENTS);
}
if (wd > 0)
{
/* Wait for events and process them until a
termination condition is detected
*/
process_inotify_events (q, inotify_fd);
}
printf ("\nTerminating\n");
/* Finish up by closing the fd, destroying the queue,
and returning a proper code
*/
close_inotify_fd (inotify_fd);
queue_destroy (q);
}
return 0;
}
使用 inotify_init 打開文件描述符
清單 3 展示了用于創建 inotify 實例以及獲取其文件描述符的簡單實用工具函數。文件描述符返回給了調用者。如果出現錯誤，返回值將為負。
清單 3. 使用 inotify_init
/* Create an inotify instance and open a file descriptor
to access it */
int open_inotify_fd ()
{
int fd;
watched_items = 0;
fd = inotify_init ();
if (fd < 0)
{
perror ("inotify_init () = ");
}
return fd;
}
使用 inotify_add_watch 添加一個監控
一旦我們有了用于 inotify 實例的文件描述符之后，就需要增加一個或多個監控。您可以使用掩碼來設置想要監控的事件。在本例中，采用掩碼 IN_ALL_EVENTS，來監控所有可用事件。
清單 4. 使用 inotify_add_watch
int watch_dir (int fd, const char *dirname, unsigned long mask)
{
int wd;
wd = inotify_add_watch (fd, dirname, mask);
if (wd < 0)
{
printf ("Cannot add watch for \"%s\" with event mask %lX", dirname,
mask);
fflush (stdout);
perror (" ");
}
else
{
watched_items++;
printf ("Watching %s WD=%d\n", dirname, wd);
printf ("Watching = %d items\n", watched_items);
}
return wd;
}
事件處理循環
現在我們已經設置了一些監控，接下來就要等待事件。如果還存在監控，并且 keep_running 標志沒有被信號處理程序重置，則循環會一直進行。循環進程等待事件的發生，對有效事件進行排隊，并在返回等待狀態之前處理隊列。在真實應用程序當中，您可能會將事件放入線程隊列中，而在另一個線程中處理它們，清單 5 展示了該循環。
清單 5. 事件處理循環
int process_inotify_events (queue_t q, int fd)
{
while (keep_running && (watched_items > 0))
{
if (event_check (fd) > 0)
{
int r;
r = read_events (q, fd);
if (r < 0)
{
break;
}
else
{
handle_events (q);
}
}
}
return 0;
}
等待事件
在我們的示樣例應用程序中，循環會不停地進行下去，直至監控事件出現或者收到了中斷信號。清單 6 展示了相關代碼。
清單 6. 等待事件或者中斷
int event_check (int fd)
{
fd_set rfds;
FD_ZERO (&rfds);
FD_SET (fd, &rfds);
/* Wait until an event happens or we get interrupted
by a signal that we catch */
return select (FD_SETSIZE, &rfds, NULL, NULL, NULL);
}
讀取事件
當事件發生時，程序會依照緩存區的大小來讀取盡量多的事件，然后把這些事件放入隊列等待事件處理程序來處理。樣例代碼不能處理這種情況 — 可用事件超出 16.384 byte 緩存中可存儲的事件。要處理這類情況，需要在緩存末端處理部分事件。目前，對名字長度進行限制不成問題，但是優秀的防御式編程會檢查名字，來確保不會溢出緩存。
清單 7. 讀取事件并排隊
int read_events (queue_t q, int fd)
{
char buffer[16384];
size_t buffer_i;
struct inotify_event *pevent;
queue_entry_t event;
ssize_t r;
size_t event_size, q_event_size;
int count = 0;
r = read (fd, buffer, 16384);
if (r <= 0)
return r;
buffer_i = 0;
while (buffer_i < r)
{
/* Parse events and queue them. */
pevent = (struct inotify_event *) &buffer[buffer_i];
event_size = offsetof (struct inotify_event, name) + pevent->len;
q_event_size = offsetof (struct queue_entry, inot_ev.name) +
pevent->len;
event = malloc (q_event_size);
memmove (&(event->inot_ev), pevent, event_size);
queue_enqueue (event, q);
buffer_i += event_size;
count++;
}
printf ("\n%d events queued\n", count);
return count;
}
處理事件
***，我們需要對事件做處理了。對于該應用程序，我們只簡單地報告所發生的事件。如果一個名字出現在事件結構中，我們就報告它是一個文件或目錄。發生移動時，還會報告與移動或重命名事件相關的 cookie 信息。清單 8 展示了部分代碼，包括對一些事件的處理。參見 下載 部分可獲取完整代碼。
清單 8. 處理事件
void handle_event (queue_entry_t event)
{
/* If the event was associated with a filename, we will store it here */
char *cur_event_filename = NULL;
char *cur_event_file_or_dir = NULL;
/* This is the watch descriptor the event occurred on */
int cur_event_wd = event->inot_ev.wd;
int cur_event_cookie = event->inot_ev.cookie;
unsigned long flags;
if (event->inot_ev.len)
{
cur_event_filename = event->inot_ev.name;
}
if ( event->inot_ev.mask & IN_ISDIR )
{
cur_event_file_or_dir = "Dir";
}
else
{
cur_event_file_or_dir = "File";
}
flags = event->inot_ev.mask &
~(IN_ALL_EVENTS | IN_UNMOUNT | IN_Q_OVERFLOW | IN_IGNORED );
/* Perform event dependent handler routines */
/* The mask is the magic that tells us what file operation occurred */
switch (event->inot_ev.mask &
(IN_ALL_EVENTS | IN_UNMOUNT | IN_Q_OVERFLOW | IN_IGNORED))
{
/* File was accessed */
case IN_ACCESS:
printf ("ACCESS: %s \"%s\" on WD #%i\n",
cur_event_file_or_dir, cur_event_filename, cur_event_wd);
break;
/* File was modified */
case IN_MODIFY:
printf ("MODIFY: %s \"%s\" on WD #%i\n",
cur_event_file_or_dir, cur_event_filename, cur_event_wd);
break;
/* File changed attributes */
case IN_ATTRIB:
printf ("ATTRIB: %s \"%s\" on WD #%i\n",
cur_event_file_or_dir, cur_event_filename, cur_event_wd);
break;
/* File open for writing was closed */
case IN_CLOSE_WRITE:
printf ("CLOSE_WRITE: %s \"%s\" on WD #%i\n",
cur_event_file_or_dir, cur_event_filename, cur_event_wd);
break;
/* File open read-only was closed */
case IN_CLOSE_NOWRITE:
printf ("CLOSE_NOWRITE: %s \"%s\" on WD #%i\n",
cur_event_file_or_dir, cur_event_filename, cur_event_wd);
break;
/* File was opened */
case IN_OPEN:
printf ("OPEN: %s \"%s\" on WD #%i\n",
cur_event_file_or_dir, cur_event_filename, cur_event_wd);
break;
/* File was moved from X */
case IN_MOVED_FROM:
printf ("MOVED_FROM: %s \"%s\" on WD #%i. Cookie=%d\n",
cur_event_file_or_dir, cur_event_filename, cur_event_wd,
cur_event_cookie);
break;
.
. (other cases)
.
/* Watch was removed explicitly by inotify_rm_watch or automatically
because file was deleted, or file system was unmounted. */
case IN_IGNORED:
watched_items--;
printf ("IGNORED: WD #%d\n", cur_event_wd);
printf("Watching = %d items\n",watched_items);
break;
/* Some unknown message received */
default:
printf ("UNKNOWN EVENT \"%X\" OCCURRED for file \"%s\" on WD #%i\n",
event->inot_ev.mask, cur_event_filename, cur_event_wd);
break;
}
/* If any flags were set other than IN_ISDIR, report the flags */
if (flags & (~IN_ISDIR))
{
flags = event->inot_ev.mask;
printf ("Flags=%lX\n", flags);
}
}
這個簡單示例用于說明 inotify 如何工作，以及您可以監控什么事件。您的實際需求將決定對哪些事件進行監控以及如何處理這些事件。
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用法舉例
在本部分中，我們創建一個帶有文件的簡單雙級目錄結構，然后運行簡單程序來舉例說明 inotify 所能監控的一些事件。我們將在終端會話中啟動 inotify 示例程序，但是在后臺運行（使用 &）因此程序的輸出與我們輸入的命令會交替出現。您可以在一個終端窗口運行該程序，而在其他一個或多個窗口運行指令。清單 9 展示了簡單文件結構和空文件的創建，以及最初啟動該示例程序時的輸出。
清單 9. 創建一個樣例環境
ian@attic4:~/inotify-sample$ mkdir -p dir1/dir2
ian@attic4:~/inotify-sample$ touch dir1/dir2/file1
ian@attic4:~/inotify-sample$ ./inotify_test dir1/ dir1/dir2/ dir1/dir2/file1&
[2] 8733
ian@attic4:~/inotify-sample$
Watching dir1/ WD=1
Watching = 1 items
Watching dir1/dir2/ WD=2
Watching = 2 items
Watching dir1/dir2/file1 WD=3
Watching = 3 items
ian@attic4:~/inotify-sample$
在清單 10 中，展示了來自 dir2 內容清單的輸出。***個事件報告是關于 dir1 的，展示了一些內容，即 dir2 ，在被監控描述符 1 監控的目錄當中被打開了。第二個條目是關于監控描述符 2 的，顯示出被監控項目（在本例中為 dir2 ）被打開了。如果正在監控目錄樹中的多個項目，可能會經常遇到這種雙重輸出。
清單 10. 列舉 dir2 的內容
ian@attic4:~/inotify-sample$ ls dir1/dir2 file1 4 events queued OPEN: Dir "dir2" on WD #1 OPEN: Dir "(null)" on WD #2 CLOSE_NOWRITE: Dir "dir2" on WD #1 CLOSE_NOWRITE: Dir "(null)" on WD #2
在清單 11 中，我們在 file1 添加了一些文本。請再次注意對文件以及該文件所在目錄的雙重打開、關閉和修改事件。還請注意所有的事件并非立刻讀取。排隊例程被調用了3次，每次有兩個事件。如果再次運行該程序，并且每次操作相同，您未必會再次遇到這一特別情況。
清單 11. 在 file1 中添加文本
ian@attic4:~/inotify-sample$ echo "Some text" >> dir1/dir2/file1 2 events queued OPEN: File "file1" on WD #2 OPEN: File "(null)" on WD #3 2 events queued MODIFY: File "file1" on WD #2 MODIFY: File "(null)" on WD #3 2 events queued CLOSE_WRITE: File "file1" on WD #2 CLOSE_WRITE: File "(null)" on WD #3
在清單 12 中，我們改變了 file1 的屬性。我們再次得到有關被監控項目以及其所在目錄的雙重輸出。
清單 12. 改變文件屬性
ian@attic4:~/inotify-sample$ chmod a+w dir1/dir2/file1 2 events queued ATTRIB: File "file1" on WD #2 ATTRIB: File "(null)" on WD #3
現在將文件 file1 移動到上一級目錄 dir1 當中。在清單 13 中顯示了輸出結果。這次沒有雙重條目。我們實際上得到了 3 個條目，每個目錄一個，文件本身一個。請注意 cookie (569) 允許將 MOVED-FROM 事件與 MOVED_TO 事件關聯起來。
清單 13. 將 file1 移動到 dir1
ian@attic4:~/inotify-sample$ mv dir1/dir2/file1 dir1 3 events queued MOVED_FROM: File "file1" on WD #2. Cookie=569 MOVED_TO: File "file1" on WD #1. Cookie=569 MOVE_SELF: File "(null)" on WD #3
現在創建一個 file1 到 file2 的硬鏈接。當到 inode 的鏈接數量該變時，我們會有一個關于 file1 的 ATTRIB 事件，還會有一個關于 file2 的 CREATE 事件。
清單 14. 創建硬鏈接
ian@attic4:~/inotify-sample$ ln dir1/file1 dir1/file2 2 events queued ATTRIB: File "(null)" on WD #3 CREATE: File "file2" on WD #1
現在將文件 file1 移入當前目錄，將其重命名為 file3 。當前目錄沒有被監控，因此不存在與 MOVED_FROM 事件相關聯的 MOVED_TO 事件。
清單 15. 將 file1 移入不受監控的目錄當中
ian@attic4:~/inotify-sample$ mv dir1/file1 ./file3 2 events queued MOVED_FROM: File "file1" on WD #1. Cookie=572 MOVE_SELF: File "(null)" on WD #3
此時，dir2 是空的，因此可以移動它。注意我們得到一個關于監控描述符 2 的 IGNORED 事件，可見現在我們只監控兩個項目。
清單 16. 移除 dir2
ian@attic4:~/inotify-sample$ rmdir dir1/dir2 3 events queued DELETE: Dir "dir2" on WD #1 DELETE_SELF: File "(null)" on WD #2 IGNORED: WD #2 Watching = 2 items
移除文件 file3。注意這次我們沒有得到 IGNORED 事件。為什么呢？為什么得到了關于 file 3 的 ATTRIB 事件（就是原來的 dir1/dir2/file1）？
清單 16. 刪除 file3
ian@attic4:~/inotify-sample$ rm file3 1 events queued ATTRIB: File "(null)" on WD #3
記住我們創建了 file1 到 file2 的硬鏈接。清單 17 顯示我們還在通過監控描述符 3 來監控 file2，盡管最開始不存在文件 2！
ian@attic4:~/inotify-sample$ touch dir1/file2 6 events queued OPEN: File "file2" on WD #1 OPEN: File "(null)" on WD #3 ATTRIB: File "file2" on WD #1 ATTRIB: File "(null)" on WD #3 CLOSE_WRITE: File "file2" on WD #1 CLOSE_WRITE: File "(null)" on WD #3
因此，現在讓我們來刪除 dir1，并監控事件級聯，因為它不再監控任何事情，不得不結束了自己。
清單 18. 刪除 dir1
ian@attic4:~/inotify-sample$ rm -rf dir1 8 events queued OPEN: Dir "(null)" on WD #1 ATTRIB: File "(null)" on WD #3 DELETE_SELF: File "(null)" on WD #3 IGNORED: WD #3 Watching = 1 items DELETE: File "file2" on WD #1 CLOSE_NOWRITE: Dir "(null)" on WD #1 DELETE_SELF: File "(null)" on WD #1 IGNORED: WD #1 Watching = 0 items Terminating
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inotify 的可能使用
您可以將 inotify 用于多種目標。下面列舉一些可能的情況：
- 性能監控
- 您可能想確定應用程序打開最頻繁的文件是哪個。如果發現一個小文件被頻繁打開與關閉，您可能會考慮采用內存版，或者改變應用程序來采取其他方式共享該數據。
- 元信息
- 您可能想記錄文件的附加信息，例如起始創建時間或者***改變該文件的用戶 id。
- 安全
- 您可能會因為安全原因，需要對特定文件或目錄的所有訪問進行監控。
我們的示例代碼監控所有事件并進行報告。實際上，您可能想依據您的需要，來查看這些事件的特定子集。您可能想監控不同被監控項目的不同事件。例如，您可能想監控文件的打開與關閉事件，但對于目錄只想監控創建與刪除事件。在任何可能的時候，您可以監控您所感興趣的最小事件集。
結束語
應用到性能監控、程序調試、以及自動化等領域時，inotify 是監控 Linux 文件系統的功能強大的、高粒度的機制。利用本文提供的樣例代碼，您可以開始編寫用來實時記錄文件系統事件并最小化性能開銷的應用程序。
