理解 Linux 的硬链接与软链接（一）

从 inode 了解 Linux 文件系统

硬链接与软链接是 Linux 文件系统中的一个重要概念，其涉及文件系统中的索引节点 (index node 又称 inode)，而索引节点对象是 Linux 虚拟文件系统 (VFS) 的四个基本概念之一。通过剖析硬链接与软链接的联系与区别，我们可更好的了解 Linux 中 VFS 这一通用文件模型。并让 Linux 普通用户和系统管理员正确使用硬链接与软链接，帮助文件系统开发者获取 inode 的相关知识。

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及网络交互等 I/O 操作设计了一组通用 API，使他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 对应设备的类型。设备文件 /dev/input/event5 使用 read() 以字符流的方式被读取。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);

硬链接与软链接的联系与区别

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。图 1.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

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

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.xz，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。

为解决文件的共享使用，Linux 系统引入了两种链接：硬链接 (hard link) 与软链接（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使用了多个别名（见 图 2.hard link 就是 file 的一个别名，他们有共同的 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。

 link oldfile newfile 
 ln oldfile newfile

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点特性：

• 文件有相同的 inode 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。

• 清单 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 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 使用情况及文件系统挂载点。