Linux中的软链接与硬链接
本文我们讲述一下Linux文件系统中的软链接与硬链接。
1. Linux的文件与目录
现代操作系统为解决信息能独立于进程之外被长期存储引入了文件，文件作为进程创建信息的逻辑单元可被多个进程并发使用。在Unix系统中，操作系统为磁盘上的文本与图像、鼠标与键盘等输入设备以及网络交互等IO操作设计了一组通用API，使它们被处理时均可统一使用字节流方式。换言之，Unix系统中除进程之外的一切皆是文件，而Linux保持了这一特性。为了便于文件的管理，Linux还引入了目录（有时亦被称为文件夹）这一概念。目录使文件可被分类管理，且目录的引入使Linux的文件系统形成一个层级结构的目录树。清单1所示的是普通Linux系统的顶层目录结构，其中/dev是存放了设备相关文件的目录。
清单1 Linux系统的顶层目录结构
/ 根目录 ├── bin 存放用户二进制文件 ├── boot 存放内核引导配置文件 ├── dev 存放设备文件 ├── etc 存放系统配置文件 ├── home 用户主目录 ├── lib 动态共享库 ├── lost+found 文件系统恢复时的恢复文件 ├── media 可卸载存储介质挂载点 ├── mnt 文件系统临时挂载点 ├── opt 附加的应用程序包 ├── proc 系统内存的映射目录，提供内核与进程信息 ├── root root 用户主目录 ├── sbin 存放系统二进制文件 ├── srv 存放服务相关数据 ├── sys sys 虚拟文件系统挂载点 ├── tmp 存放临时文件 ├── usr 存放用户应用程序 └── var 存放邮件、系统日志等变化文件
Linux与其他类Unix系统一样并不区分文件与目录：目录是记录了其他文件名的文件。使用命令mkdir创建目录时，若期望创建的目录的名称与现有的文件名（或目录名）重复，则会创建失败：
# ls -F /usr/bin/zi* /usr/bin/zip* /usr/bin/zipgrep* /usr/bin/zipnote* /usr/bin/zipcloak* /usr/bin/zipinfo* /usr/bin/zipsplit* # mkdir -p /usr/bin/zip mkdir: cannot create directory `/usr/bin/zip': File exists
Linux将设备当做文件进行处理，清单2展示了如何打开设备文件/dev/input/event5并读取文件内容。文件event5表示一种输入设备，其可能是鼠标或键盘等。查看文件/proc/bus/input/devices可知event5对应的设备类型。设备文件/dev/input/event5使用read()以字节流的方式被读取。结构体input_event被定义在内核头文件linux/input.h中：
清单2 打开并读取设备文件
int fd;
struct input_event ie;
fd = open("/dev/input/event5", O_RDONLY);
read(fd, &ie, sizeof(struct input_event));
printf("type = %d code = %d value = %d\n",
ie.type, ie.code, ie.value);
close(fd);2. 硬链接与软连接的联系与区别
我们知道文件都有文件名与数据，这在Linux上被分成两个部分：用户数据(user data)与元数据(metadata)。用户数据,即文件数据块(data block)，数据块是记录文件真实内容的地方； 而元数据则是文件的附加属性，如文件大小、创建时间、所有者等信息。在Linux中，元数据中的inode号（inode是文件元数据的一部分，但其并不包含文件名，inode号即索引节点号）才是文件的唯一标识而非文件名。文件名仅是为了方便人们的记忆和使用，系统或程序通过inode号寻找正确的文件数据块。下图展示了程序通过文件名获取文件内容的过程：
图1 通过文件名打开文件
在Linux系统中查看inode号可使用命令stat或ls -i(若是AIX系统，则使用命令istat)。清单3中使用命令mv移动并重命名文件glibc-2.16.0.tar.gz，其结果不影响文件的用户数据及inode号，文件移动前后inode号均为：2485677
清单3 移动或重命名文件
# stat /home/harris/source/glibc-2.16.0.tar.xz
File: `/home/harris/source/glibc-2.16.0.tar.xz'
Size: 9990512 Blocks: 19520 IO Block: 4096 regular file
Device: 807h/2055d Inode: 2485677 Links: 1
Access: (0600/-rw-------) Uid: ( 1000/ harris) Gid: ( 1000/ harris)
...
...
# mv /home/harris/source/glibc-2.16.0.tar.xz /home/harris/Desktop/glibc.tar.xz
# ls -i -F /home/harris/Desktop/glibc.tar.xz
2485677 /home/harris/Desktop/glibc.tar.xz为了解决文件的共享使用，Linux系统引入了两种链接： 硬链接(hard link)与软连接(又称符号链接，即soft link或symbolic link)。链接为Linux系统解决了文件的共享使用，还带来了隐藏文件路径、增加权限安全及节省存储等好处。若一个inode号对应多个文件名，则称这些文件为硬链接。换言之，硬链接就是同一个文件名使用了多个别名（它们有共同的inode)。硬链接可由命令link或ln创建。如下是对文件oldfile创建硬链接：
# echo "hello,world" >> oldfile
# link oldfile newfile
# ln oldfile newfile2
# ln newfile newfile3
# ls
newfile newfile2 newfile3 oldfile
# stat oldfile
File: ‘oldfile’
Size: 12 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file
Device: 803h/2051d Inode: 1781007 Links: 4
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root)
Access: 2019-07-14 20:08:50.497883532 -0700
Modify: 2019-07-14 20:08:50.497883532 -0700
Change: 2019-07-14 20:09:42.059085881 -0700
Birth: -
# stat newfile
File: ‘newfile’
Size: 12 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file
Device: 803h/2051d Inode: 1781007 Links: 4
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root)
Access: 2019-07-14 20:08:50.497883532 -0700
Modify: 2019-07-14 20:08:50.497883532 -0700
Change: 2019-07-14 20:09:42.059085881 -0700
Birth: -
# ls -i
1781007 newfile 1781007 newfile2 1781007 newfile3 1781007 oldfile从上面可以看到，这四个文件都具有相同的inode号。
2.1 硬链接特性
由于硬链接是有着相同inode号仅文件名不同的文件，因此硬链接存在以下几个特点：
-
文件有相同的inode以及data block
-
只能对已存在的文件进行创建
-
不能交叉文件系统进行硬链接的创建
-
不能对目录进行创建，只可对文件创建
-
删除一个硬链接文件并不影响其他有相同inode号的文件
请单4 硬链接特性展示
# ls -li
total 0
// 只能对已存在的文件创建硬连接
# link old.file hard.link
link: cannot create link `hard.link' to `old.file': No such file or directory
# echo "This is an original file" > old.file
# cat old.file
This is an original file
# stat old.file
File: `old.file'
Size: 25 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file
Device: 807h/2055d Inode: 660650 Links: 2
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root)
...
// 文件有相同的 inode 号以及 data block
# link old.file hard.link | ls -li
total 8
660650 -rw-r--r-- 2 root root 25 Sep 1 17:44 hard.link
660650 -rw-r--r-- 2 root root 25 Sep 1 17:44 old.file
// 不能交叉文件系统
# ln /dev/input/event5 /root/bfile.txt
ln: failed to create hard link `/root/bfile.txt' => `/dev/input/event5':
Invalid cross-device link
// 不能对目录进行创建硬连接
# mkdir -p old.dir/test
# ln old.dir/ hardlink.dir
ln: `old.dir/': hard link not allowed for directory
# ls -iF
660650 hard.link 657948 old.dir/ 660650 old.file文件old.file与hard.link有着相同的inode号： 660650及文件权限， inode是随着文件的存在而存在，因此只有当文件存在时才可创建硬链接，即当inode存在且链接计数器(link count)不为0时。inode号仅在各文件系统下是唯一的，当Linux挂载多个文件系统后将出现inode号重复的现象（如清单5所示，文件t3.jpg、sync以及123.txt并无关联，却有着相同的inode号），因此硬链接创建时不可跨越文件系统。设备文件目录/dev使用的文件系统是devtmpfs，而/root(与根目录/一致）使用的是磁盘文件系统ext4。清单5展示了使用命令df查看当前系统中挂载的文件系统类型、各文件系统inode使用情况以及文件系统挂载点。
清单5 查找有相同inode号的文件
# df -i --print-type Filesystem Type Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on /dev/sda7 ext4 3147760 283483 2864277 10% / udev devtmpfs 496088 553 495535 1% /dev tmpfs tmpfs 499006 491 498515 1% /run none tmpfs 499006 3 499003 1% /run/lock none tmpfs 499006 15 498991 1% /run/shm /dev/sda6 fuseblk 74383900 4786 74379114 1% /media/DiskE /dev/sda8 fuseblk 29524592 19939 29504653 1% /media/DiskF # find / -inum 1114 /media/DiskE/Pictures/t3.jpg /media/DiskF/123.txt /bin/sync
值得一提的是，Linux系统存在inode号被用完但磁盘空间还有剩余的情况。我们创建一个5M大小的ext4类型的mo.img文件，并将其挂载至目录/mnt。然后我们使用一个shell脚本将挂载在/mnt下ext4文件系统的inode耗尽（见清单6)
清单6 测试文件系统 inode 耗尽但仍有磁盘空间的情景
# dd if=/dev/zero of=mo.img bs=5120k count=1
1+0 records in
1+0 records out
5242880 bytes (5.2 MB) copied, 0.078982 s, 66.4 MB/s
# ls -lh mo.img
-rw-r--r-- 1 root root 5.0M Jul 15 00:43 mo.img
# mkfs -t ext4 -F ./mo.img
mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
Discarding device blocks: done
Filesystem label=
OS type: Linux
Block size=1024 (log=0)
Fragment size=1024 (log=0)
Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks
1280 inodes, 5120 blocks
256 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=1
Maximum filesystem blocks=5242880
1 block group
8192 blocks per group, 8192 fragments per group
1280 inodes per group
Allocating group tables: done
Writing inode tables: done
Creating journal (1024 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done
# mount -o loop ./mo.img /mnt
# cat /mnt/inode_test.sh
#!/bin/bash
for ((i = 1; ; i++))
do
if [ $? -eq 0 ]; then
echo "This is file_$i" > file_$i
else
exit 0
fi
done
# ./inode_test.sh
./inode_test.sh: line 6: file_1269: No space left on device
# df -iT /mnt/; du -sh /mnt/
Filesystem Type Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
/dev/loop0 ext4 1280 1280 0 100% /mnt
1.3M /mnt/硬链接不能对目录创建是受限于文件系统的设计。现在Linux文件系统中的目录均隐藏了两个特殊的目录： 当前目录(.)与父目录(..)。查看这两个特殊目录的inode号可知其实这两目录就是两个硬链接（注意目录/mnt/lost+found/的inode号）。若系统允许对目录创建硬链接，则会产生目录环。
# ls -aliF /mnt/lost+found total 44 11 drwx------ 2 root root 12288 Sep 1 17:54 ./ 2 drwxr-xr-x 3 root root 31744 Sep 1 17:57 ../ # stat /mnt/lost+found/ File: `/mnt/lost+found/' Size: 12288 Blocks: 24 IO Block: 1024 directory Device: 700h/1792d Inode: 11 Links: 2 Access: (0700/drwx------) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root) Access: 2012-09-01 17:57:17.000000000 +0800 Modify: 2012-09-01 17:54:49.000000000 +0800 Change: 2012-09-01 17:54:49.000000000 +0800 Birth: -
2.2 软链接特性
软链接与硬链接不同，若文件用户数据块中存放的内容是另一文件的路径名的指向，则该文件就是软链接。软链接就是一个普通文件，只是数据块内容有点特殊。软链接有着自己的inode号以及用户数据块（见图2)。因此，软链接的创建与使用没有类似硬链接的诸多限制：
-
软链接有自己的文件属性及权限等；
-
可对不存在的文件或目录创建软链接；
-
软链接可交叉文件系统；
-
软链接可对文件或目录创建；
-
创建软链接时，链接计数
i_nlink不会增加； -
删除软链接并不影响被指向的文件，但若指向的原文件被删除，则相关软链接被称为
死链接(即dangling link， 若被指向路径文件被重新创建，死链接可恢复为正常的软链接）
图2 软链接的访问
清单7 软链接特性展示
# ls -li
total 0
// 可对不存在的文件创建软链接
# ln -s old.file soft.link
# ls -liF
total 0
789467 lrwxrwxrwx 1 root root 8 Sep 1 18:00 soft.link -> old.file
// 由于被指向的文件不存在，此时的软链接 soft.link 就是死链接
# cat soft.link
cat: soft.link: No such file or directory
// 创建被指向的文件 old.file，soft.link 恢复成正常的软链接
# echo "This is an original file_A" >> old.file
# cat soft.link
This is an original file_A
// 对不存在的目录创建软链接
# ln -s old.dir soft.link.dir
# mkdir -p old.dir/test
# tree . -F --inodes
.
├── [ 789497] old.dir/
│ └── [ 789498] test/
├── [ 789495] old.file
├── [ 789495] soft.link -> old.file
└── [ 789497] soft.link.dir -> old.dir/当然软链接的用户数据也可以是另一个软链接的路径，其解析过程是递归的。但需注意： 软链接创建时原文件的路径指向使用绝对路径较好。使用相对路径创建的软链接被移动后该软链接文件将成为一个死链（如下所示的软链接a使用了相对路径，因此不宜被移动），因为链接数据块中记录的亦是相对路径指向：
$ ls -li
total 2136
656627 lrwxrwxrwx 1 harris harris 8 Sep 1 14:37 a -> data.txt
656662 lrwxrwxrwx 1 harris harris 1 Sep 1 14:37 b -> a
656228 -rw------- 1 harris harris 2186738 Sep 1 14:37 data.txt 63. 链接相关命令
在Linux中查看当前系统已挂着的文件系统类型，除上述使用的df命令外，还可以使用mount命令或查看文件/proc/mounts:
# mount
/dev/sda7 on / type ext4 (rw,errors=remount-ro)
proc on /proc type proc (rw,noexec,nosuid,nodev)
sysfs on /sys type sysfs (rw,noexec,nosuid,nodev)
...
...
none on /run/shm type tmpfs (rw,nosuid,nodev)命令ls或stat可以帮助我们区分软链接与其他文件并查看文件inode号，但较好的方式还是使用find命令，其不仅可以查找某文件的软链接，还可以用于查找相同inode的所有硬链接（见清单8)。
清单8 使用命令find查找软链接与硬链接
// 查找在路径 /home 下的文件 data.txt 的软链接
# find /home -lname data.txt
/home/harris/debug/test2/a
// 查看路径 /home 有相同 inode 的所有硬链接
# find /home -samefile /home/harris/debug/test3/old.file
/home/harris/debug/test3/hard.link
/home/harris/debug/test3/old.file
# find /home -inum 660650
/home/harris/debug/test3/hard.link
/home/harris/debug/test3/old.file
// 列出路径 /home/harris/debug/ 下的所有软链接文件
# find /home/harris/debug/ -type l -ls
656662 0 lrwxrwxrwx 1 harris harris 1 Sep 1 14:37 /home/harris/debug/test2/b -> a
656627 0 lrwxrwxrwx 1 harris harris 8 Sep 1 14:37 /home/harris/debug/test2/a ->
data.txt
789467 0 lrwxrwxrwx 1 root root 8 Sep 1 18:00 /home/harris/debug/test/soft.link ->
old.file
789496 0 lrwxrwxrwx 1 root root 7 Sep 1 18:01
/home/harris/debug/test/soft.link.dir -> old.dir系统根据磁盘的大小默认设定了inode的值(见清单9)，如有必要，可在格式化文件系统前对该值进行修改，如键入命令：
# mkfs -t ext4 -I 512 /dev/sda4
将使磁盘设备/dev/sda4格式化成inode大小是512字节的ext4文件系统。
清单9 查看系统的inode值
// 查看磁盘分区 /dev/sda7 上的 inode 值
# dumpe2fs -h /dev/sda7 | grep "Inode size"
dumpe2fs 1.42 (29-Nov-2011)
Inode size: 256
# tune2fs -l /dev/sda7 | grep "Inode size"
Inode size: 256另外，我们可以通过df -i命令查看当前inode的使用情况：
# df -i /dev/sda2 Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on devtmpfs 479526 396 479130 1% /dev
上面显示inode使用了约1%
4. Linux VFS
Linux有着极其丰富的文件系统，大体上可分为如下几类：
-
网络文件系统， 如nfs、cifs等；
-
磁盘文件系统，如ext4、ext3等；
-
特殊文件系统，如proc、sysfs、ramfs、tmpfs等；
实现以上这些文件系统并在Linux下共存的基础就是Linux VFS(Virtual File System，又称Virtual Filesystem Switch)，即虚拟文件系统。VFS作为一个通用的文件系统，抽象了文件系统的四个基本概念： 文件、目录项(dentry)、索引节点(inode)以及挂载点，其在Linux内核中为用户空间层的文件系统提供了相关的接口（见图3 所示VFS在Linux系统的架构）。VFS实现了open()、read()等系统调用，并使得cp等用户空间程序可跨文件系统。VFS真正实现了上述内容： 在Linux中除进程之外一切皆是文件。
图3 VFS在系统中的架构
Linux VFS存在四个基本对象： 超级块对象(superblock object)、索引节点对象(inode object)、目录项对象(dentry object)及文件对象(file object)。
-
超级块对象代表一个已经安装的文件系统；
-
索引节点对象代表一个文件；
-
目录项对象代表一个目录项。如设备文件event5在/dev/input/event5中，其存在4个目录项对象：
/、dev/、input/、event5 -
文件对象代表由进程打开的文件
这四个对象与进程及磁盘文件间的关系如图4所示，其中d_inode即为硬链接。为文件路径的快速解析，Linux VFS设计了目录项缓存(Directory Entry Cache，即dcache)
图4 VFS的对象之间的处理
5. Linux文件系统中的inode
在Linux中，索引节点结构存在于系统内存及磁盘，其可区分成VFS inode与实际文件系统的inode。VFS inode作为实际文件系统中inode的抽象，定义了结构体inode与其相关的操作inode_operation(见内核源代码include/linux/fs.h).
清单10 VFS中inode与inode_operation
struct inode {
...
const struct inode_operations *i_op; // 索引节点操作
unsigned long i_ino; // 索引节点号
atomic_t i_count; // 引用计数器
unsigned int i_nlink; // 硬链接数目
...
}
struct inode_operations {
...
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);
int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
...
}如清单10所见，每个文件存在两个计数器：i_count与i_nlink，即引用计数与硬链接计数。结构体inode中的i_count用于跟踪当前文件被访问（引用）的数量，而i_nlink则是上述使用ls -i等命令查看到的文件硬链接数。或者说i_count跟踪文件在内存中的情况， 而i_nlink则是磁盘计数器。当文件被删除时，则i_nlink先被设置成0。文件的这两个计数器使得Linux系统升级或程序更新变得容易，系统或程序可以在不关闭的情况下(即文件i_count不为0），将新文件以同样的文件名进行替换，新文件有自己的inode及data block，旧文件会在相关进程关闭后被完整的删除。
清单11 文件系统ext4中的inode
struct ext4_inode {
...
__le32 i_atime; // 文件内容最后一次访问时间
__le32 i_ctime; // inode 修改时间
__le32 i_mtime; // 文件内容最后一次修改时间
__le16 i_links_count; // 硬链接计数
__le32 i_blocks_lo; // Block 计数
__le32 i_block[EXT4_N_BLOCKS]; // 指向具体的 block
...
};清单11 展示的是文件系统ext4中对inode的定义（见内核源码fs/ext4/ext4.h)。其中三个时间的定义可对应于命令stat中查看到三个时间。i_links_count不仅用于文件的硬链接计数，也用于目录的子目录数跟踪（目录并不显示硬链接数，命令ls -ld查看到的是子目录数)。由于文件系统ext4对i_links_count有限制，其最大数为：32000（该限制在ext4中被取消）。尝试在ext3文件系统上验证目录子目录及普通文件硬链接最大数可见
清单 11. 展示的是文件系统 ext4 中对 inode 的定义（见内核源码 fs/ext4/ext4.h）。其中三个时间的定义可对应与命令 stat 中查看到三个时间。i_links_count 不仅用于文件的硬链接计数，也用于目录的子目录数跟踪（目录并不显示硬链接数，命令 ls -ld 查看到的是子目录数）。
[参看]:
