Linux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
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++)) 
   if [ $? -eq 0 ]; then 
       echo  "This is file_$i" > file_$i 
       exit 0 
# ./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 6

3. 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]:
    
理解 Linux 的硬链接与软链接
    硬链接和软链接的区别
    Linux ext4文件系统划分磁盘inode数量