Linux学习--理解硬连接与软连接

时间  2019-11-17
标签 linux 学习 理解 连接 栏目 Linux 繁體版
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Linux 的文件与曼目录node

现代操做系统为解决信息能独立于进程以外被长期储存引入了文件，文件做为进程建立信息的逻辑单元可被多个进程并发使用。在Unix系统中，操做系统为磁盘上的文本与图像，鼠标与键盘灯输入设备及网络交互等 I/O 操做设计了一组通用API，使他们被处理时都可统一使用字节流方式。换言之，Unix系统中除进程以外的一切皆是文件，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（有时也被称为文件夹）这一律念，目录使文件被分类管理，且目录的引入使Linux的文件系统造成一个层级结构的目录树。下图所示的是普通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linux

/              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 与其余类Unix系统同样并不区分文件和目录：目录是记录了其余文件名的文件。使用命令mkdir 建立目录时，若指望建立的目录的名称与现有的文件名（或目录名）重复，则会建立失败。shell

 
Linux 将设备看成文件进行处理，下图展现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，其多是鼠标或键盘等。查看文件/proc/bus/input/devices 可知 event5 对应设备的类型。设备文件 /dev/input/event5 使用read() 以字符流方式被读取。结构体input_event 被定义在内核头文件 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);

 

硬连接与软连接的联系和区别
咱们知道文件都有文件名与数据，这在Linux上被分红两个部分：用户数据（user data）与元数据（meta data）。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；二元数据则是文件的附加属性，如文件大小，建立时间，全部者等信息。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）才是文件的惟一标识而非文件名。文件名仅是为了方便人们的记忆和使用，系统或程序经过inode 号寻找正确的文件数据块。下图展现了系统经过文件名获取文件内容的过程。
 
  
# 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 系统中查看 inode 号 可以使用命令 stat 或 ls -i(如果 AIX 系统，则使用命令 istat )。在上图中使用命令mv移动并重命名文件glibc-2.16.0.tar.xz 其结果不影响文件的 用户数据及inode 号，文件移动先后 inode 号均为：2485677.数据库

为了解决文件的共享使用，Linux 系统引入两种连接：硬连接（hard link）和软连接（又称符号连接，即soft link 或 symbolic link）。连接为Linux系统解决了文件的共享使用，还带来了隐藏文件路径，增长权限安全及节省储存等好处。若一个inode号对应多个文件名，则称这些文件为硬连接。换言之，硬连接就是同一个文件使用多个别名。硬连接可由命令 link 或 ln 建立。以下是对文件oldfile 建立硬连接。缓存

link oldfile newfile 
ln oldfile newfile

因为硬连接是有着相同 inode 号仅文件名不一样的文件，所以硬连接存在如下几个特性：安全

  • 文件有相同的 inode 及 data block；
  • 只能对已存在的文件进行建立；
  • 不能交叉文件系统进行硬连接建立；
  • 不能对目录进行建立，只可对文件建立；
  • 删除一个硬连接文件并不影响其余相同 inode 号的文件
# ls -li 
total 0 
 
// 只能对已存在的文件建立硬链接
# 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 
 
// 不能对目录进行建立硬链接
# 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，所以只有当文件存在时才能够建立硬连接，即当inode 存在且连接计数器（link count）不为 0 时。inode 号仅在各文件系统下是惟一的，当 Linux 挂在多个文件系统后将出现 inode 号重复的现象，以下图所示，文件 t3.jpg,sync,及123.txt 并没有关联，却有着相同的 inode 号，所以硬连接建立是不可跨文件系统的。设备文件目录/dev 使用的文件系统是 devtmpfs ，而 /root 使用的是磁盘文件系统 ext4。下图展现了使用命令 df 查看当前系统中挂载的文件系统类型，各文件系统 inode 使用状况及文件系统挂载点。bash

查找有相同 inode 号的文件网络

# 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状况。咱们建立一个5M大小的ext4类型的mo.img文件，并将其挂载至/mnt。而后咱们使用一个shell脚本将其挂载在 /mnt 下ext4文件系统的inode 耗尽，下图架构

# 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/

硬连接不能对目录建立是受限于文件系统的设计。现 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连接（注意目录 /mnt/lost+found/ 的 inode 号）。若系统容许对目录建立硬连接，则会产生目录环。并发

# 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: -

软连接与硬连接不一样，若文件用户数据块中存放的内容是另外一个文件的路径名的指向，则该文件就是软连接。软连接就是一个普通文件，只是数据库内容有点特殊。软连接有着本身的 inode 号以及用户数据块。所以软连接的建立与使用没有相似硬连接的诸多限制：

  • 软连接有本身的文件属性及权限等；
  • 可对不存在的文件或目录建立软连接；
  • 软连接可交叉文件系统；
  • 软连接可对文件或目录建立；
  • 建立软连接时，连接计数 i_nlink 不会增长；
  • 删除软连接并不影响被指向的文件，但若被指向的原文件被删除，则相关软连接被称为死连接（即dangling link，若被指向路径文件被从新建立，死连接能够恢复正常的软连接）。

软连接的访问

 

 软连接特性展现 
# ls -li 
 total 0 
 
 // 可对不存在的文件建立软连接
 # ln -s old.file soft.link 
 # ls -liF 
 total 0 
 789467 lrwxrwxrwx 1 root root 8 Sep  1 18:00 soft.link -> old.file 
 
 // 因为被指向的文件不存在，此时的软连接 soft.link 就是死连接
 # cat soft.link 
 cat: soft.link: No such file or directory 
 
 // 建立被指向的文件 old.file，soft.link 恢复成正常的软连接
 # echo "This is an original file_A" >> old.file 
 # cat soft.link 
 This is an original file_A 
 
 // 对不存在的目录建立软连接
 # 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/

固然软连接的用户数据也能够是另外一个软连接的路径，其解析过程是递归的。但需注意：软连接建立时原文件的路径指向使用绝对路径较好。使用相对路径建立的软连接被移动后该软连接文件成为死连接

  
$ 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

连接相关命令

在 Linux 中查看当前系统已挂着的文件系统类型除上述使用命令df ，还可使用命令 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 可帮助咱们区分软连接与其余文件并查看文件 inode 号，但较好的方式仍是使用 find 命令，其不只可查找某文件的软连接，还能够用于查找相同 inode 的全部硬连接

// 查找在路径 /home 下的文件 data.txt 的软连接
# find /home -lname data.txt 
/home/harris/debug/test2/a 
 
// 查看路径 /home 有相同 inode 的全部硬连接
# 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/ 下的全部软连接文件
# 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，如若必要，可在格式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 格式成 inode 大小是 512 字节的 ext4文件系统。

// 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

Linux VFS

Linux 有着极其丰富的文件系统，大致上可分以下几类：

  1. 网络文件系统，如 nfs,cifs 等。
  2. 磁盘文件系统，如 ext4,ext3 等。
  3. 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 做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）即挂载点，其在内核中为用户空间层的文件系统提供了相关接口。VFS实现了 open(),read() 等系统调用使得cp等用户空间程序可跨文件系统。VFS真正实现了上述内容中：在Linux 中除进程以外一切皆是文件。

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）。超级块对象表明一个已安装的文件系统；索引节点对象表明一个文件；目录项对象表明一个目录项，如设备文件 event5 在路径 /dev/input/event5 中，其存在四个目录项对象：/、dev/、input/、event5。文件对象表明由进程打开的文件。这四个对象与进程及磁盘文件建的关系以下图，其中 d_inode 即为硬连接。为文件路径的快速解析，Linux VFS 设计了目录项缓存（Directory EntryCach，即 dcache）。

VFS的对象之间的处理

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，其可区分红 VFS inode 与实际文件系统的 inode。VFS inode 做为实际文件系统中 inode 的抽象，定义告终构体 inode 与其相关的操做 inode_operations 

VFS 中的 inode 与 inode_operations 结构体

struct inode {
    ...
    const struct inode_operations  *i_op;  // 索引节点操做
    unsigned long    i_ino;  //索引节点号
    atomic_t            i_count;    //引用计数器
    unsigned int       i_nlink;    // 硬连接数码  
    ...
}

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 *); 
    ...
}

如上图所见，每一个文件存在两个计数器：i_count 与 i_nlink，即引用计数与硬连接计数。结构体 inode 中的 i_count 用于跟踪文件被访问的数量，而 i_nlink 则是上述使用 ls -l 等命令查看到的文件硬连接数。或者说 i_count 跟踪文件在内存中的状况，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，文件的这个两个计数器使得Linux 系统升级或程序更新变得容易。系统或程序可在不关闭的状况下（即文件 i_count 不为 0 ），将新文件已一样的文件名进行替换，新的文件有本身的 inode 及 data block，旧文件会在相关进程关闭后被完整的删除。

文件系统 ext4 中的 inode

 

struct ext_inode {
    ...
    __le32 i_atime;    // 文件内容最后一次访问的时间
    __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; // 硬连接计数
    __le32 i_block2_lo;    // Block 计数
    __le32 i_block[EXT$_N_BLOCKS];  //  指向具体的block
   ...  
};

上图展现的是文件系统 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 中看到三个时间。i_links_count 不只用于文件的硬连接计数，也用于目录数跟踪（目录并不显示硬连接数， 命令 ls -ld  查看到的是子目录数）。因为文件系统 ext3 对i_links_count 有限制，其最大数为：32000（该限制在 ext4 中被取消）。

结束语

本文最初描述了 Linux 系统中文件与目录被引入的缘由及 Linux 处理文件的方式，而后咱们经过区分硬连接与软连接的不一样，了解 Linux 中的索引节点的相关知识，并以此引出了 inode 的结构体。索引节点结构体存在于 Linux VFS 以及实际文件系统中，VFS 做为通用文件模型是 Linux 中 “一切皆是文件” 的实现的基础。文章并未深刻 Linux VFS ，也没有涉及实际文件系统的实现，文章只是从 inode 了解 Linux 的文件系统的相关内容。若想深刻文件系统的内容，查看内核文档 Documentation/filesystems/。

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