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
",
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。
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 indoe 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
# 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/
硬链接不能对目录创建是受限于文件系统的设计（见 清单 4.对 目录创建硬链接将失败）。现 Linux 文件系统中的目录均隐藏了两个个特殊的目录：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: -
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，则该文件就是软连接。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，但若被指向的原文件被删除，则相关软连接被称为死链接（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 为一个死链接（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
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。
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: 256Linux VFS
Linux 有着极其丰富的文件系统，大体上可分如下几类：
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) 及挂载点，其在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中：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 在路径 /dev/input/event5 中，其存在四个目录项对象：/ 、dev/ 、input/ 及 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
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_operations（见内核源码 include/linux/fs.h）。
清单 10. VFS 中的 inode 与 inode_operations 结构体
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的容易。系统或程序可在不关闭的情况下（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）。由于文件系统 ext3 对 i_links_count 有限制，其最大数为：32000（该限制在 ext4 中被取消）。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 12. 的错误信息。因此实际文件系统的 inode 之间及与 VFS inode 相较是有差异的。
清单 12. 文件系统 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
结束语
本 文最初描述了 Linux 系统中文件与目录被引入的原因及 Linux 处理文件的方式，然后我们通过区分硬链接与软链接的不同，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在于 Linux VFS 以及实际文件系统中，VFS 作为通用文件模型是 Linux 中“一切皆是文件”实现的基础。文章并未深入 Linux VFS，也没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。若想深入文件系统的内容，查看内核文档 Documentation/filesystems/ 是一个不错的方式。