理解 Linux 的硬連接與軟連接

理解 Linux 的硬連接與軟連接

從 inode 瞭解 Linux 文件系統

硬連接與軟連接是 Linux 文件系統中的一個重要概念，其涉及文件系統中的索引節點 (index node 又稱  inode)，而索引節點對象是 Linux 虛擬文件系統 (VFS) 的四個基本概念之一。經過剖析硬連接與軟連接的聯繫與區別，咱們可更好的瞭解  Linux 中 VFS 這一通用文件模型。並讓 Linux 普通用戶和系統管理員正確使用硬連接與軟連接，幫助文件系統開發者獲取 inode  的相關知識。

1 評論：

王 華東, 自由職業者

2012 年 12 月 20 日

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Linux 的文件與目錄

現代操做系統爲解決信息能獨立於進程以外被長期存儲引入了文件，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、鼠標與鍵盤等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（有時亦被稱爲文件夾）這一律念。目錄使文件可被分類管理，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。清單 1.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。

清單 1. Linux 系統的頂層目錄結構

 /              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與目錄：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。

 # 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 將設備當作文件進行處理，清單 2.展 示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() 以字符流的方式被讀取。結構體 input_event 被定義在內核頭文件 linux/input.h 中。

清單 2. 打開並讀取設備文件

 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);

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硬連接與軟連接的聯繫與區別

我 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  (metadata)。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；而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。圖 1.展現了程序經過文件名獲取文件內容的過程。

圖 1. 經過文件名打開文件

清單 3. 移動或重命名文件

 # 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

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）。清單 3.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。

爲 解決文件的共享使用，Linux 系統引入了兩種連接：硬連接 (hard link) 與軟連接（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存儲等好處。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了多個別名（見 圖 2.hard link 就是 file 的一個別名，他們有共同的 inode）。硬連接可由命令 link 或 ln 建立。以下是對文件 oldfile 建立硬連接。

 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點特性：

• 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的建立；

• 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有相同 inode 號的文件。

清單 4. 硬連接特性展現

 # 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纔可建立硬連接，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 掛載多個文件系統後將出現 inode 號重複的現象（如 清單 5.所 示，文件 t3.jpg、sync 及 123.txt 並沒有關聯，卻有着相同的 inode 號），所以硬連接建立時不可跨文件系統。設備文件目錄  /dev 使用的文件系統是 devtmpfs，而 /root（與根目錄 / 一致）使用的是磁盤文件系統 ext4。清單 5.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。

清單 5. 查找有相同 inode 號的文件

 # 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，並將其掛載至目錄 /mnt。而後咱們使用一個 shell 腳本將掛載在 /mnt 下  ext4 文件系統的 indoe 耗盡（見清單 6.）。

清單 6. 測試文件系統 inode 耗盡但仍有磁盤空間的情景

 # 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（見 清單 4.對 目錄建立硬連接將失敗）。現 Linux 文件系統中的目錄均隱藏了兩個個特殊的目錄：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。

 # 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文件的路徑名的指向，則該文件就是軟鏈接。軟連接就是一個普通文件，只是數據塊內容有點特殊。軟連接有着本身的 inode 號以及用戶數據塊（見 圖 2.）。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，則相關軟鏈接被稱爲死連接（即 dangling link，若被指向路徑文件被從新建立，死連接可恢復爲正常的軟連接）。

圖 2. 軟連接的訪問

清單 7. 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將成 爲一個死連接（以下所示的軟連接 a 使用了相對路徑，所以不宜被移動），由於連接數據塊中記錄的亦是相對路徑指向。

 $ 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 6

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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，除上述使用的命令 df，還可以使用命令 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。（見清單 8.）

清單 8. 使用命令 find 查找軟連接與硬連接

 // 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（見清單 9.），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。

清單 9. 查看系統的 inode 值

 // 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

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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 ext四、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) 及掛載點，其在內核中爲用戶空間層的文件系統提供了相關的接口（見 圖 3.所示 VFS 在 Linux 系統的架構）。VFS 實現了 open()、read() 等系統調並使得 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。

圖 3. 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/ 及  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間的關係如圖 4. 所示，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 Entry Cache，即 dcache）。

圖 4. VFS 的對象之間的處理

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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（見內核源碼  include/linux/fs.h）。

清單 10. 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 *);      ...   }

如清單 10. 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。文件的這兩個計數器使得 Linux 系統升級或程序更新變的容易。系統或程序可在不關閉的狀況下（即文件  i_count 不爲 0），將新文件以一樣的文件名進行替換，新文件有本身的 inode 及 data  block，舊文件會在相關進程關閉後被完整的刪除。

清單 11. 文件系統 ext4 中的 inode

 struct ext4_inode {      ...      __le32  i_atime;        // 文件內容最後一次訪問時間     __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_blocks_lo;    // Block 計數     __le32  i_block[EXT4_N_BLOCKS];  // 指向具體的 block      ...   };

清單 11. 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與命令 stat 中查看到三個時間。i_links_count  不只用於文件的硬連接計數，也用於目錄的子目錄數跟蹤（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）。嘗試在 ext3  文件系統上驗證目錄子目錄及普通文件硬連接最大數可見 清單 12. 的錯誤信息。所以實際文件系統的 inode 之間及與 VFS inode 相較是有差別的。

清單 12. 文件系統 ext3 中 i_links_count 的限制

 # ./dirtest.sh   mkdir: cannot create directory `dir_31999': Too many links   # ./linkcount.sh   ln: failed to create hard link to `old.file': Too many links

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」實現的基礎。文章並未深刻 Linux VFS，也沒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/ 是一個不錯的方式。