Linux中的索引節(jié)點、軟鏈接、硬鏈接是什么？

最近，看到很多文章都在介紹 Linux 中的文件系統(tǒng)，其中就包括：inode 節(jié)點、軟鏈接、硬鏈接等重要的概念。

于是就有小伙伴私信問我：這些概念我都懂，但是我能利用他們來完成什么工作呢？

或者說，在哪些情況下，軟鏈接和硬鏈接能夠提供提供更好的解決方案呢？

這篇文章我們就來簡單梳理一下，軟鏈接和硬鏈接的幾個使用場景。

什么是索引節(jié)點

什么是硬鏈接

什么是軟鏈接

軟鏈接應(yīng)用之：靈活切換不同版本的目標(biāo)程序

軟鏈接應(yīng)用之：動態(tài)庫版本管理

軟鏈接應(yīng)用之：快捷方式

硬鏈接之應(yīng)用：從不同角度對文件進(jìn)行分類

硬鏈接應(yīng)用之：文件多人共享

硬鏈接之應(yīng)用：文件備份

文件和索引節(jié)點 inode

在 Linux 系統(tǒng)中，我們可以把一個文件看做 3 個組成部分：

文件名：從用戶角度來描述一個文件；

文件內(nèi)容：也就是文件中存儲的那些數(shù)據(jù)；

文件的描述信息：文件的類型、所有者、創(chuàng)建時間等等，可以稱之為元信息；

可以簡單的做一個類比：

文件本身的內(nèi)容，可以看做一個實實在在的人。

文件的描述信息，可以看做是派出所里的戶籍卡。

戶籍卡上記錄了一個人的姓名、年齡、住址等信息，警察叔叔通過這個戶籍卡，就知道這個人的一切描述信息，除了你腦袋里的知識。

回到計算機(jī)中，文件的所有信息都需要存儲在硬盤上，因此就要對硬盤進(jìn)行區(qū)域劃分：不同的區(qū)域存儲不同類型的數(shù)據(jù)，這就是文件系統(tǒng)的重要作用。

在 Linux 系統(tǒng)使用的 ext2／ext3 文件系統(tǒng)中，從硬盤上劃分一塊區(qū)域，用來存放文件本身的內(nèi)容（數(shù)據(jù)），這塊區(qū)域按照一個最小單位：塊（block）來進(jìn)行劃分。

然后從硬盤上劃分出另一塊區(qū)域，專門用來存放所有文件的描述信息。

每一個文件的描述信息，都用一個名為索引節(jié)點（inode）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示，所有文件的 inode 就統(tǒng)一放在這塊硬盤區(qū)域中。

就像戶籍卡上記錄了一個人的住址一樣，一個文件的索引節(jié)點（inode）中，也記錄了這個文件的所有描述信息，包括：文件類型、所有者、創(chuàng)建時間等待，當(dāng)然也包括文件內(nèi)容存儲在硬盤的哪些塊（block）中。

當(dāng)我們調(diào)用打開文件 API 函數(shù)的時候，操作系統(tǒng)首先根據(jù)傳入的文件路徑，找到這個文件的 inode，然后進(jìn)行一系列的權(quán)限檢查操作，最后從 inode 中獲得這個文件的內(nèi)容存儲在哪些塊（block）中，從而可以對文件的內(nèi)容進(jìn)行讀取、寫入操作。

文件名稱只是給我們用戶來使用的，操作系統(tǒng)只是通過 inode 節(jié)點，來對文件進(jìn)行管理的。

當(dāng)我們創(chuàng)建一個新文件的時候，就同時創(chuàng)建了這個文件對應(yīng)的 inode 節(jié)點。

當(dāng)我們刪除一個文件的時候，就同時刪除了這個文件對應(yīng)的 inode 節(jié)點。

此時，文件本身內(nèi)容所在的那個塊中，數(shù)據(jù)并不會被抹除掉，因此有些數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件就是利用這個特點來進(jìn)行數(shù)據(jù)找回。

一句話總結(jié)：索引節(jié)點（inode）就像戶籍卡，操作系統(tǒng)通過 inode 來管理所有的文件。

硬鏈接

剛才已經(jīng)說到，每一個文件都對應(yīng)一個 inode 節(jié)點。

例如有一個文件 a．txt，文件內(nèi)容長度是 1024 個字節(jié)，存放在硬盤上的某個塊（block）中，假設(shè)就是第 10000 個塊吧。

那么這個文件對應(yīng)的 inode 節(jié)點中，就會把 10000 這個塊記錄下來。

同時，它還有一個 links 字段，表示：當(dāng)前這個 inode 對應(yīng)一個文件，此時 inode．links 的值為 1。

此時，如果我們用另一個文件名 a＿h(yuǎn)ard＿link．txt，也來表示 a．txt 這個文件。

也就是說：雖然我們用了 2 個文件名稱，但是本質(zhì)上指向同一個文件，內(nèi)容都指向第 10000 個塊中存儲的文件內(nèi)容。

Linux 系統(tǒng)中提供了硬鏈接來支持這樣的目的，它僅僅是把 inode 節(jié)點中的 links 字段的值 加1 即可，也就是 inode．links 的值變成了 2。

硬鏈接的操作指令是：

＄ ln a．txt b．txt

基于硬鏈接，用戶就可以用不同的文件名來訪問同一個文件，所有的操作最終修改的都是同一個文件。

如果僅僅從用戶的角度來看，好像我們是在操作不同的文件，但是這些文件具有自動同步的功能。

這個行為有點類似于網(wǎng)盤：

在云存儲中有一個文件 hello．txt，然后我有兩臺電腦 A 和 B，這兩臺電腦會把云端的文件 hello．txt 都創(chuàng)建一個鏡像文件在本地，就好像這個文件就在自己的硬盤上一樣。

當(dāng)我在電腦 A 上操作 hello．txt 時，電腦 B 中的同名文件會自動更新。

因此，從行為上來看，硬鏈接就相當(dāng)于是：文件拷貝 ＋ 自動同步。

再來看一下硬鏈接文件的刪除操作。

在執(zhí)行 ＄ ln a．txt a＿h(yuǎn)ard＿link．txt 指令之后，該文件對應(yīng)的 inode 節(jié)點中，links 的值為 2。

如果我們刪除 a．txt，操作系統(tǒng)會把該文件對應(yīng)的 inode 中的 links 值減1，結(jié)果為 1，操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)不為 0，因此并不會刪掉這個 inode。

如果我們再刪除 a＿h(yuǎn)ard＿link．txt，操作系統(tǒng)再次執(zhí)行 inode．links 減1 動作，發(fā)現(xiàn)值變成了 0，于是就把這個 inode 刪除了，于是這個文件就徹底不存在了。

這就相當(dāng)于把一個人的戶籍卡給注銷掉了，從戶籍管理角度看，這個人就不存在了。即使存在，也是一個黑戶。

硬鏈接存在 2 個限制：

不允許用戶給目錄創(chuàng)建硬鏈接，即：用戶不可以，操作系統(tǒng)可以（想一下每個目錄下的 ． 和 ．．）；

只有在同一個文件系統(tǒng)中的文件，才能創(chuàng)建硬鏈接，也就是說：不能跨文件系統(tǒng)；

軟鏈接

為了克服硬鏈接的 2 個限制，軟鏈接被引入進(jìn)來了。

軟鏈接也叫符號鏈接，它是一個獨立的文件。

軟鏈接文件的內(nèi)容是一個文本字符串，存儲的是目標(biāo)文件（即：鏈接到的文件）的路徑名。

這個路徑名可以指向任意一個文件系統(tǒng)的任意文件或者目錄，甚至可以指向一個不存在的文件。

與創(chuàng)建硬鏈接不同的是：當(dāng)我們創(chuàng)建了一個軟鏈接之后，操作系統(tǒng)會創(chuàng)建一個新的 inode 來表示這個軟鏈接文件。

例如有一個文件 a．txt，我們創(chuàng)建一個軟鏈接 a＿soft＿link．txt 來指向它：

＄ ln －s a．txt a＿soft＿link．txt

此時，a．txt 和 a＿soft＿link．txt 各自都有自己的 inode 節(jié)點。

圖中的綠色虛線，就表示軟鏈接文件中的文件路徑。

正因為軟鏈接文件中存儲的僅僅是目標(biāo)文件的路徑字符串，所以可以表示任意一個文件系統(tǒng)中的文件，或者是目錄。

當(dāng)我們打開文件軟鏈接 a＿soft＿link．txt 時，操作系統(tǒng)從 a＿soft＿link．txt 對應(yīng)的 inode 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)：這是一個軟鏈接文件。

于是操作系統(tǒng)就根據(jù)其中的路徑信息，找到 a．txt 的 inode 節(jié)點，從而對最終的目標(biāo)文件進(jìn)行操作。

再來看一下軟鏈接文件的刪除操作。

如果我們把目標(biāo)文件 a．txt 刪除掉之后，inode 節(jié)點會被刪除掉，就相當(dāng)于它的戶籍卡被注銷掉了。

此時再次打開軟鏈接 a＿soft＿link．txt 時，雖然其中的路徑信息仍然存在，但是系統(tǒng)此時卻找不到 a．txt 對應(yīng)的 inode 節(jié)點了。

因此，軟鏈接就類似于與 Windows 系統(tǒng)中的快捷方式。

當(dāng)真正的目標(biāo)文件被刪除之后，快捷方式也就沒有存在的意義了。

軟鏈接應(yīng)用之：靈活切換不同版本的目標(biāo)程序

在開發(fā)的過程中，對于同一個工具軟件，可能要安裝多個不同的版本，例如：Python2 和 Python3， JDK8 和 JDK9 等等。

此時就可以通過軟鏈接來指定當(dāng)前使用哪個版本。例如在我的電腦中：

＄ ll －l ／usr／bin／python＊

lrwxrwxrwx 1 root root 9 12月 31 08：19 ／usr／bin／python －＞ python2．7＊

lrwxrwxrwx 1 root root 9 12月 31 08：19 ／usr／bin／python2 －＞ python2．7＊

－rwxr－xr－x 1 root root 3492624 3月 2 04：47 ／usr／bin／python2．7＊

lrwxrwxrwx 1 root root 9 12月 31 08：19 ／usr／bin／python3 －＞ python3．5＊

－rwxr－xr－x 2 root root 4456208 1月 27 02：48 ／usr／bin／python3．5＊

當(dāng)在終端窗口中輸入：python 時，啟動的是 python2．7 版本。

如果有一天我需要使用 python3．5 版本，只需要把軟鏈接 python 指向 python3．5 即可。

軟鏈接應(yīng)用之：動態(tài)庫版本管理

在 Linux 系統(tǒng)的動態(tài)庫版本管理中，有一個 SONAME 的概念。

我們在編譯一個動態(tài)鏈接庫時，一般使用如下編譯命令：

＄ gcc －fPIC －shared －o libhello．so hello．c

在使用這個動態(tài)庫時，需要鏈接這個庫：－llibhello。

簡單的 demo 可以這么來寫，但是如果遇到一些比較大的項目，需要執(zhí)行嚴(yán)格的版本管理，那應(yīng)該怎么來操作呢？

Linux 系統(tǒng)已經(jīng)為我們想到了問題的解決方案，利用 SO－NAME。

首先，在編譯動態(tài)鏈接庫文件時，就指定產(chǎn)生 SO－NAME，它會被存儲在動態(tài)鏈接庫 ELF 文件中。

我們來直接看一個優(yōu)秀的開源工具 libevent 的例子：

＄ ll ／usr／lib／libevent－2．1．so＊

lrwxrwxrwx 1 root root 17 Jul 27 2020 ／usr／lib／libevent－2．1．so －＞ libevent－2．1．so．7

lrwxrwxrwx 1 root root 21 Jul 27 2020 ／usr／lib／libevent－2．1．so．7 －＞ libevent－2．1．so．7．0．1

－rw－r－－r－－ 1 root root 412016 Jul 27 2020 ／usr／lib／libevent－2．1．so．7．0．1

此時使用 readelf 命令來查看生成的動態(tài)庫文件 libevent－2．1．so．7．0．1：

＄ readelf －a libevent－2．1．so．7．0．1 ｜ grep SONAME

0x000000000000000e （SONAME） Library soname： ［libevent－2．1．so．7］

它這么做有什么好處呢？

Linux 系統(tǒng)在查找動態(tài)鏈接庫文件時，會到下面這 3 個默認(rèn)目錄下查找（當(dāng)然然還有其他目錄，比如：當(dāng)前目錄，LD＿LIBRARY＿PATH 指定的目錄）

／lib： 存放操作系統(tǒng)最關(guān)鍵和基礎(chǔ)的庫文件；

／usr／lib： 存放一些非系統(tǒng)運行時所需要的關(guān)鍵庫文件；

／usr／local／lib： 存放用戶自己安裝的一些第三方庫文件；

系統(tǒng)中安裝的所有動態(tài)鏈接庫，借助 ldconfig 這個程序，會自動的創(chuàng)建、更新或者刪除對應(yīng)的 SONAME（它是一個軟鏈接，鏈接到 實際的庫文件），并把這些 SONAME 匯總到一個文件 ／etc／ld．so．cache 中緩存起來。

這樣，當(dāng)動態(tài)庫加載器查找動態(tài)庫文件時，就可以直接在這個緩存文件中進(jìn)行查找，加快了動態(tài)庫的查找速度。

軟鏈接應(yīng)用之：快捷方式

利用軟鏈接的快捷方式功能就比較好理解了，想一想：我們?yōu)槭裁丛?Windows 的桌面上創(chuàng)建很多軟件的快捷方式啊？

在 Linux 中同樣如此！

比如：最近一段時間的工作，每次都要打開一個路徑很深的文件。

如果在資源管理器中，一層一層的點擊鼠標(biāo)，是不是比較浪費時間。

此時，就可以在桌面上創(chuàng)建一個軟鏈接，每次直接雙擊就打開所鏈接的目標(biāo)文件了。

硬鏈接之應(yīng)用：從不同角度對文件進(jìn)行分類

比如我有一個文件夾，存儲了10 個G的照片。

這些照片中的人物、拍照地點、拍照時間都是不一樣的。

現(xiàn)在，我既想根據(jù)照片中的人物進(jìn)行分類，也想根據(jù)拍照地點進(jìn)行分類，還想根據(jù)拍照時間進(jìn)行分類，那該怎么辦？

因為一張照片可能同時屬于多個不同的分類，難道每個分類中都復(fù)制一張照片？這樣也太浪費硬盤空間了！

解決方案是：

所有的照片仍舊放在一個總的文件夾中，然后創(chuàng)建不同的分類文件夾，在每個分類文件夾中，創(chuàng)建硬鏈接到目標(biāo)照片文件。

這樣的話，不僅對照片進(jìn)行了分類，而且一點都不占用硬盤空間。

硬鏈接應(yīng)用之：文件多人共享

當(dāng)很多人同時對同一個文件進(jìn)行維護(hù)的時候，如果大家都直接操作這個文件，萬一不小心把文件刪除了，大家就都玩完了！

此時，可以在每個人自己的私人目錄中，創(chuàng)建一個硬鏈接。

每次只需要對這個硬鏈接文件進(jìn)行操作，所有的改動會自動同步到目標(biāo)文件中。

由于每個人都是操作硬鏈接文件，即使不小心刪除了，也不會導(dǎo)致文件的丟失。

因為刪除硬鏈接文件，僅僅是把該文件的 inode 節(jié)點中的 links 值減 1 而已，只要不為 0，就不會真正的刪除文件。

硬鏈接之應(yīng)用：文件備份

一些小伙伴有定期備份文件、清理文件的好習(xí)慣。

在備份的時候，如果是實實在在的拷貝一份，那真的是太浪費磁盤空間，特別是對于我這種只有 256G 硬盤空間的筆記本。

此時，就可以利用硬鏈接功能，既實現(xiàn)文件備份的目的，又節(jié)省了大量的硬盤空間，一舉兩得！

很多備份工具利用的就是硬鏈接的功能，包括 git 工具，當(dāng)克隆本地的一個倉庫時，執(zhí)行 clone 指令：

git clone －－reference ＜repository＞

git 并不會把倉庫中的所有文件拷貝到本地，而僅僅是創(chuàng)建文件的硬鏈接，幾乎是零拷貝！