内容转自:https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-hardandsymb-links/index.html

0x00文件概念

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。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。
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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。

Linux 将设备当做文件进行处理,下图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。
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0x01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。下图展示了程序通过文件名获取文件内容的过程。
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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)。假设一个文件名为a,inode号为2485677,对其使用命令 mv 移动并重命名文件 ,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硬链接可由命令 link 或 ln 创建。
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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。

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,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。

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。

硬链接不能对目录创建是受限于文件系统的设计现(下图)。 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。
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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。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)。

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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。
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0x02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。
  • 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。
  • 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。

0x03Linux 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(下图所示 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。

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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)。
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Last modification:October 24th, 2019 at 10:44 am
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