Linux學習--理解硬連接與軟連接

時間  2019-11-17
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Linux 的文件與曼目錄node

現代操做系統爲解決信息能獨立於進程以外被長期儲存引入了文件，文件做爲進程建立信息的邏輯單元可被多個進程併發使用。在Unix系統中，操做系統爲磁盤上的文本與圖像，鼠標與鍵盤燈輸入設備及網絡交互等 I/O 操做設計了一組通用API，使他們被處理時都可統一使用字節流方式。換言之，Unix系統中除進程以外的一切皆是文件，而Linux保持了這一特性。爲了便於文件的管理，Linux還引入了目錄（有時也被稱爲文件夾）這一律念，目錄使文件被分類管理，且目錄的引入使Linux的文件系統造成一個層級結構的目錄樹。下圖所示的是普通Linux系統的頂層目錄結構，其中/dev 是存放了設備相關文件的目錄linux

/              根目錄
├── bin     存放用戶二進制文件
├── boot    存放內核引導配置文件
├── dev     存放設備文件
├── etc     存放系統配置文件
├── home    用戶主目錄
├── lib     動態共享庫
├── lost+found  文件系統恢復時的恢復文件
├── media   可卸載存儲介質掛載點
├── mnt     文件系統臨時掛載點
├── opt     附加的應用程序包
├── proc    系統內存的映射目錄，提供內核與進程信息
├── root    root 用戶主目錄
├── sbin    存放系統二進制文件
├── srv     存放服務相關數據
├── sys     sys 虛擬文件系統掛載點
├── tmp     存放臨時文件
├── usr     存放用戶應用程序
└── var     存放郵件、系統日誌等變化文件

Linux 與其餘類Unix系統同樣並不區分文件和目錄：目錄是記錄了其餘文件名的文件。使用命令mkdir 建立目錄時，若指望建立的目錄的名稱與現有的文件名（或目錄名）重複，則會建立失敗。shell

 
Linux 將設備看成文件進行處理，下圖展現瞭如何打開設備文件/dev/input/event5 並讀取文件內容。文件 event5 表示一種輸入設備，其多是鼠標或鍵盤等。查看文件/proc/bus/input/devices 可知 event5 對應設備的類型。設備文件 /dev/input/event5 使用read() 以字符流方式被讀取。結構體input_event 被定義在內核頭文件 linux/input.h 中
  
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);

 

硬連接與軟連接的聯繫和區別
咱們知道文件都有文件名與數據，這在Linux上被分紅兩個部分：用戶數據（user data）與元數據（meta data）。用戶數據，即文件數據塊（data block），數據塊是記錄文件真實內容的地方；二元數據則是文件的附加屬性，如文件大小，建立時間，全部者等信息。在 Linux 中，元數據中的 inode 號（inode 是文件元數據的一部分但其並不包含文件名，inode 號即索引節點號）纔是文件的惟一標識而非文件名。文件名僅是爲了方便人們的記憶和使用，系統或程序經過inode 號尋找正確的文件數據塊。下圖展現了系統經過文件名獲取文件內容的過程。
 
  
# 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

在 Linux 系統中查看 inode 號 可以使用命令 stat 或 ls -i(如果 AIX 系統，則使用命令 istat )。在上圖中使用命令mv移動並重命名文件glibc-2.16.0.tar.xz 其結果不影響文件的 用戶數據及inode 號，文件移動先後 inode 號均爲：2485677.數據庫

爲了解決文件的共享使用，Linux 系統引入兩種連接：硬連接（hard link）和軟連接（又稱符號連接，即soft link 或 symbolic link）。連接爲Linux系統解決了文件的共享使用，還帶來了隱藏文件路徑，增長權限安全及節省儲存等好處。若一個inode號對應多個文件名，則稱這些文件爲硬連接。換言之，硬連接就是同一個文件使用多個別名。硬連接可由命令 link 或 ln 建立。以下是對文件oldfile 建立硬連接。緩存

link oldfile newfile 
ln oldfile newfile

因爲硬連接是有着相同 inode 號僅文件名不一樣的文件，所以硬連接存在如下幾個特性：安全

  • 文件有相同的 inode 及 data block；
  • 只能對已存在的文件進行建立；
  • 不能交叉文件系統進行硬連接建立；
  • 不能對目錄進行建立，只可對文件建立；
  • 刪除一個硬連接文件並不影響其餘相同 inode 號的文件
# ls -li 
total 0 
 
// 只能對已存在的文件建立硬鏈接
# 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 號以及 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 
 
// 不能交叉文件系統
# ln /dev/input/event5 /root/bfile.txt 
ln: failed to create hard link `/root/bfile.txt' => `/dev/input/event5': 
Invalid cross-device link 
 
// 不能對目錄進行建立硬鏈接
# 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 與 hard.link 有着相同的 inode 號：660650 及文件權限，inode 是隨着文件的存在而存在，所以只有當文件存在時才能夠建立硬連接，即當inode 存在且連接計數器（link count）不爲 0 時。inode 號僅在各文件系統下是惟一的，當 Linux 掛在多個文件系統後將出現 inode 號重複的現象，以下圖所示，文件 t3.jpg,sync,及123.txt 並沒有關聯，卻有着相同的 inode 號，所以硬連接建立是不可跨文件系統的。設備文件目錄/dev 使用的文件系統是 devtmpfs ，而 /root 使用的是磁盤文件系統 ext4。下圖展現了使用命令 df 查看當前系統中掛載的文件系統類型，各文件系統 inode 使用狀況及文件系統掛載點。bash

查找有相同 inode 號的文件網絡

# 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 系統存在 inode 號被用完但磁盤空間還有剩餘的狀況。咱們建立一個5M大小的ext4類型的mo.img文件，並將其掛載至/mnt。而後咱們使用一個shell腳本將其掛載在 /mnt 下ext4文件系統的inode 耗盡，下圖架構

# dd if=/dev/zero of=mo.img bs=5120k count=1 
# ls -lh mo.img 
-rw-r--r-- 1 root root 5.0M Sep  1 17:54 mo.img 
# mkfs -t ext4  -F ./mo.img 
... 
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 
... 
... 
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/

硬連接不能對目錄建立是受限於文件系統的設計。現 Linux 文件系統中的目錄均隱藏了兩個特殊的目錄：當前目錄（.）與父目錄（..）。查看這兩個特殊目錄的 inode 號可知其實這兩目錄就是兩個硬連接（注意目錄 /mnt/lost+found/ 的 inode 號）。若系統容許對目錄建立硬連接，則會產生目錄環。併發

# 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: -

軟連接與硬連接不一樣，若文件用戶數據塊中存放的內容是另外一個文件的路徑名的指向，則該文件就是軟連接。軟連接就是一個普通文件，只是數據庫內容有點特殊。軟連接有着本身的 inode 號以及用戶數據塊。所以軟連接的建立與使用沒有相似硬連接的諸多限制：

  • 軟連接有本身的文件屬性及權限等；
  • 可對不存在的文件或目錄建立軟連接；
  • 軟連接可交叉文件系統；
  • 軟連接可對文件或目錄建立；
  • 建立軟連接時，連接計數 i_nlink 不會增長；
  • 刪除軟連接並不影響被指向的文件，但若被指向的原文件被刪除，則相關軟連接被稱爲死連接（即dangling link，若被指向路徑文件被從新建立，死連接能夠恢復正常的軟連接）。

軟連接的訪問

 

 軟連接特性展現 
# ls -li 
 total 0 
 
 // 可對不存在的文件建立軟連接
 # ln -s old.file soft.link 
 # ls -liF 
 total 0 
 789467 lrwxrwxrwx 1 root root 8 Sep  1 18:00 soft.link -> old.file 
 
 // 因爲被指向的文件不存在，此時的軟連接 soft.link 就是死連接
 # cat soft.link 
 cat: soft.link: No such file or directory 
 
 // 建立被指向的文件 old.file，soft.link 恢復成正常的軟連接
 # echo "This is an original file_A" >> old.file 
 # cat soft.link 
 This is an original file_A 
 
 // 對不存在的目錄建立軟連接
 # 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/

固然軟連接的用戶數據也能夠是另外一個軟連接的路徑，其解析過程是遞歸的。但需注意：軟連接建立時原文件的路徑指向使用絕對路徑較好。使用相對路徑建立的軟連接被移動後該軟連接文件成爲死連接

  
$ 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 6

連接相關命令

在 Linux 中查看當前系統已掛着的文件系統類型除上述使用命令df ，還可使用命令 mount 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 可幫助咱們區分軟連接與其餘文件並查看文件 inode 號，但較好的方式仍是使用 find 命令，其不只可查找某文件的軟連接，還能夠用於查找相同 inode 的全部硬連接

// 查找在路徑 /home 下的文件 data.txt 的軟連接
# find /home -lname data.txt 
/home/harris/debug/test2/a 
 
// 查看路徑 /home 有相同 inode 的全部硬連接
# 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 
 
// 列出路徑 /home/harris/debug/ 下的全部軟連接文件
# 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

系統根據磁盤的大小默認設定了 inode 的值，如若必要，可在格式文件系統前對該值進行修改。如鍵入命令 mkfs -t ext4 -I 512/dev/sda4 ,將使磁盤設備 /dev/sda4 格式成 inode 大小是 512 字節的 ext4文件系統。

// 查看磁盤分區 /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

Linux VFS

Linux 有着極其豐富的文件系統，大致上可分以下幾類：

  1. 網絡文件系統，如 nfs,cifs 等。
  2. 磁盤文件系統，如 ext4,ext3 等。
  3. 特殊文件系統，如 proc,sysfs,ramfs,tmpfs 等。

實現以上這些文件系統並在Linux 下共存的基礎就是 Linux VFS （Virtual File System 又稱 Virtual Filesystem Switch）,即虛擬文件系統。VFS 做爲一個通用的文件系統，抽象了文件系統的四個基本概念：文件，目錄項（dentry），索引節點（inode）即掛載點，其在內核中爲用戶空間層的文件系統提供了相關接口。VFS實現了 open(),read() 等系統調用使得cp等用戶空間程序可跨文件系統。VFS真正實現了上述內容中：在Linux 中除進程以外一切皆是文件。

VFS 在系統中的架構

Linux VFS 存在四個基本對象：超級塊對象（superblock object），索引節點對象（inode object），目錄項對象（dentry object）及文件對象（file object）。超級塊對象表明一個已安裝的文件系統；索引節點對象表明一個文件；目錄項對象表明一個目錄項，如設備文件 event5 在路徑 /dev/input/event5 中，其存在四個目錄項對象：/、dev/、input/、event5。文件對象表明由進程打開的文件。這四個對象與進程及磁盤文件建的關係以下圖，其中 d_inode 即爲硬連接。爲文件路徑的快速解析，Linux VFS 設計了目錄項緩存（Directory EntryCach，即 dcache）。

VFS的對象之間的處理

Linux 文件系統中的 inode

在 Linux 中，索引節點結構存在於系統內存及磁盤，其可區分紅 VFS inode 與實際文件系統的 inode。VFS inode 做爲實際文件系統中 inode 的抽象，定義告終構體 inode 與其相關的操做 inode_operations 

VFS 中的 inode 與 inode_operations 結構體

struct inode {
    ...
    const struct inode_operations  *i_op;  // 索引節點操做
    unsigned long    i_ino;  //索引節點號
    atomic_t            i_count;    //引用計數器
    unsigned int       i_nlink;    // 硬連接數碼  
    ...
}

struct inode_operationis {
    ...
    int (*create) (struct inode *, struct dentry *, int struct nameidata *);
    int (*link) (struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
    int (*unlink) (struct inode *, struct dentry *);
    int (*synlink) (struct inode *, struct dentry *, const char *);
    int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int); 
    int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *); 
    ...
}

如上圖所見，每一個文件存在兩個計數器：i_count 與 i_nlink，即引用計數與硬連接計數。結構體 inode 中的 i_count 用於跟蹤文件被訪問的數量，而 i_nlink 則是上述使用 ls -l 等命令查看到的文件硬連接數。或者說 i_count 跟蹤文件在內存中的狀況，而 i_nlink 則是磁盤計數器。當文件被刪除時，則 i_nlink 先被設置成0，文件的這個兩個計數器使得Linux 系統升級或程序更新變得容易。系統或程序可在不關閉的狀況下（即文件 i_count 不爲 0 ），將新文件已一樣的文件名進行替換，新的文件有本身的 inode 及 data block，舊文件會在相關進程關閉後被完整的刪除。

文件系統 ext4 中的 inode

 

struct ext_inode {
    ...
    __le32 i_atime;    // 文件內容最後一次訪問的時間
    __le32 i_ctime;    // inode修改時間
    __le32 i_mtime;   // 文件內容最後一次修改時間
    __le16 i_links_count; // 硬連接計數
    __le32 i_block2_lo;    // Block 計數
    __le32 i_block[EXT$_N_BLOCKS];  //  指向具體的block
   ...  
};

上圖展現的是文件系統 ext4 中對 inode 的定義（見內核源碼 fs/ext4/ext4.h）。其中三個時間的定義可對應於命令 stat 中看到三個時間。i_links_count 不只用於文件的硬連接計數，也用於目錄數跟蹤（目錄並不顯示硬連接數， 命令 ls -ld  查看到的是子目錄數）。因爲文件系統 ext3 對i_links_count 有限制，其最大數爲：32000（該限制在 ext4 中被取消）。

結束語

本文最初描述了 Linux 系統中文件與目錄被引入的緣由及 Linux 處理文件的方式，而後咱們經過區分硬連接與軟連接的不一樣，瞭解 Linux 中的索引節點的相關知識，並以此引出了 inode 的結構體。索引節點結構體存在於 Linux VFS 以及實際文件系統中，VFS 做爲通用文件模型是 Linux 中 「一切皆是文件」 的實現的基礎。文章並未深刻 Linux VFS ，也沒有涉及實際文件系統的實現，文章只是從 inode 瞭解 Linux 的文件系統的相關內容。若想深刻文件系統的內容，查看內核文檔 Documentation/filesystems/。

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