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作者 | 道哥

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(diǎn)、軟鏈接、硬鏈接等重要的概念。

于是就有小伙伴私信問(wèn)我：這些概念我都懂，但是我能利用他們來(lái)完成什么工作呢？

或者說(shuō)，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(lái)簡(jiǎn)單梳理一下，軟鏈接和硬鏈接的幾個(gè)使用場(chǎng)景。

什么是索引節(jié)點(diǎn)
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(dòng)態(tài)庫(kù)版本管理
軟鏈接應(yīng)用之：快捷方式

硬鏈接應(yīng)用之：從不同角度對(duì)文件進(jìn)行分類
硬鏈接應(yīng)用之：文件多人共享
硬鏈接應(yīng)用之：文件備份

文件和索引節(jié)點(diǎn) inode

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

1. 文件名：從用戶角度來(lái)描述一個(gè)文件;

2. 文件內(nèi)容：也就是文件中存儲(chǔ)的那些數(shù)據(jù);

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

可以簡(jiǎn)單的做一個(gè)類比：

文件本身的內(nèi)容，可以看做一個(gè)實(shí)實(shí)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(gè)人的姓名、年齡、住址等信息，警察叔叔通過(guò)這個(gè)戶籍卡，就知道這個(gè)人的一切描述信息，除了你腦袋里的知識(shí)。

回到計(jì)算機(jī)中，文件的所有信息都需要存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，因此就要對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行區(qū)域劃分：不同的區(qū)域存儲(chǔ)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(pán)上劃分一塊區(qū)域，用來(lái)存放文件本身的內(nèi)容(數(shù)據(jù))，這塊區(qū)域按照一個(gè)最小單位：塊(block)來(lái)進(jìn)行劃分。

然后從硬盤(pán)上劃分出另一塊區(qū)域，專門(mén)用來(lái)存放所有文件的描述信息。

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

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

當(dāng)我們調(diào)用打開(kāi)文件 API 函數(shù)的時(shí)候，操作系統(tǒng)首先根據(jù)傳入的文件路徑，找到這個(gè)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(gè)文件的內(nèi)容存儲(chǔ)在哪些塊(block)中，從而可以對(duì)文件的內(nèi)容進(jìn)行讀取、寫(xiě)入操作。

文件名稱只是給我們用戶來(lái)使用的，操作系統(tǒng)只是通過(guò) inode 節(jié)點(diǎn)，來(lái)對(duì)文件進(jìn)行管理的。

當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)新文件的時(shí)候，就同時(shí)創(chuàng)建了這個(gè)文件對(duì)應(yīng)的 inode 節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)我們刪除一個(gè)文件的時(shí)候，就同時(shí)刪除了這個(gè)文件對(duì)應(yīng)的 inode 節(jié)點(diǎn)。

此時(shí)，文件本身內(nèi)容所在的那個(gè)塊中，數(shù)據(jù)并不會(huì)被抹除掉，因此有些數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件就是利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)找回。

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

硬鏈接
剛才已經(jīng)說(shuō)到，每一個(gè)文件都對(duì)應(yīng)一個(gè) inode 節(jié)點(diǎn)。

例如有一個(gè)文件 a.txt，文件內(nèi)容長(zhǎng)度是 1024 個(gè)字節(jié)，存放在硬盤(pán)上的某個(gè)塊(block)中，假設(shè)就是第 10000 個(gè)塊吧。

那么這個(gè)文件對(duì)應(yīng)的 inode 節(jié)點(diǎn)中，就會(huì)把 10000 這個(gè)塊記錄下來(lái)。

同時(shí)，它還有一個(gè) links 字段，表示：當(dāng)前這個(gè) inode 對(duì)應(yīng)一個(gè)文件，此時(shí) inode.links 的值為 1。

此時(shí)，如果我們用另一個(gè)文件名 a_hard_link.txt，也來(lái)表示 a.txt 這個(gè)文件。

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

Linux 系統(tǒng)中提供了硬鏈接來(lái)支持這樣的目的，它僅僅是把 inode 節(jié)點(diǎn)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(lái)訪問(wèn)同一個(gè)文件，所有的操作最終修改的都是同一個(gè)文件。

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

這個(gè)行為有點(diǎn)類似于網(wǎng)盤(pán)：

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

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

因此，從行為上來(lái)看，硬鏈接就相當(dāng)于是：文件拷貝 自動(dòng)同步。

再來(lái)看一下硬鏈接文件的刪除操作。

在執(zhí)行 $ ln a.txt a_hard_link.txt 指令之后，該文件對(duì)應(yīng)的 inode 節(jié)點(diǎn)中，links 的值為 2。

如果我們刪除 a.txt，操作系統(tǒng)會(huì)把該文件對(duì)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(huì)刪掉這個(gè) inode。

如果我們再刪除 a_hard_link.txt，操作系統(tǒng)再次執(zhí)行 inode.links 減1 動(dòng)作，發(fā)現(xiàn)值變成了 0，于是就把這個(gè) inode 刪除了，于是這個(gè)文件就徹底不存在了。

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

硬鏈接存在 2 個(gè)限制：

1. 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(gè)目錄下的 . 和 ..);

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

軟鏈接
為了克服硬鏈接的 2 個(gè)限制，軟鏈接被引入進(jìn)來(lái)了。

軟鏈接也叫符號(hào)鏈接，它是一個(gè)獨(dú)立的文件。

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

這個(gè)路徑名可以指向任意一個(gè)文件系統(tǒng)的任意文件或者目錄，甚至可以指向一個(gè)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(gè)軟鏈接之后，操作系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 inode 來(lái)表示這個(gè)軟鏈接文件。

例如有一個(gè)文件 a.txt，我們創(chuàng)建一個(gè)軟鏈接 a_soft_link.txt 來(lái)指向它：

$ ln -s a.txt a_soft_link.txt
此時(shí)，a.txt 和 a_soft_link.txt 各自都有自己的 inode 節(jié)點(diǎn)。

圖中的綠色虛線，就表示軟鏈接文件中的文件路徑。

正因?yàn)檐涙溄游募写鎯?chǔ)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(gè)文件系統(tǒng)中的文件，或者是目錄。

當(dāng)我們打開(kāi)文件軟鏈接 a_soft_link.txt 時(shí)，操作系統(tǒng)從 a_soft_link.txt 對(duì)應(yīng)的 inode 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)：這是一個(gè)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(diǎn)，從而對(duì)最終的目標(biāo)文件進(jìn)行操作。

再來(lái)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(diǎn)會(huì)被刪除掉，就相當(dāng)于它的戶籍卡被注銷掉了。

此時(shí)再次打開(kāi)軟鏈接 a_soft_link.txt 時(shí)，雖然其中的路徑信息仍然存在，但是系統(tǒng)此時(shí)卻找不到 a.txt 對(duì)應(yīng)的 inode 節(jié)點(diǎn)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(méi)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(kāi)發(fā)的過(guò)程中，對(duì)于同一個(gè)工具軟件，可能要安裝多個(gè)不同的版本，例如：Python2 和 Python3， JDK8 和 JDK9 等等。

此時(shí)就可以通過(guò)軟鏈接來(lái)指定當(dāng)前使用哪個(gè)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(shí)，啟動(dòng)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(dòng)態(tài)庫(kù)版本管理
在 Linux 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)版本管理中，有一個(gè) SONAME 的概念。

我們?cè)诰幾g一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)時(shí)，一般使用如下編譯命令：

$ gcc -fPIC -shared -o libhello.so hello.c
在使用這個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)，需要鏈接這個(gè)庫(kù)：-llibhello。

簡(jiǎn)單的 demo 可以這么來(lái)寫(xiě)，但是如果遇到一些比較大的項(xiàng)目，需要執(zhí)行嚴(yán)格的版本管理，那應(yīng)該怎么來(lái)操作呢？

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

首先，在編譯動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件時(shí)，就指定產(chǎn)生 SO-NAME，它會(huì)被存儲(chǔ)在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) ELF 文件中。

我們來(lái)直接看一個(gè)優(yōu)秀的開(kāi)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(shí)使用 readelf 命令來(lái)查看生成的動(dòng)態(tài)庫(kù)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件時(shí)，會(huì)到下面這 3 個(gè)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(kù)文件;

/usr/lib: 存放一些非系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需要的關(guān)鍵庫(kù)文件;

/usr/local/lib: 存放用戶自己安裝的一些第三方庫(kù)文件;

系統(tǒng)中安裝的所有動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，借助 ldconfig 這個(gè)程序，會(huì)自動(dòng)的創(chuàng)建、更新或者刪除對(duì)應(yīng)的 SONAME(它是一個(gè)軟鏈接，鏈接到 實(shí)際的庫(kù)文件)，并把這些 SONAME 匯總到一個(gè)文件 /etc/ld.so.cache 中緩存起來(lái)。

這樣，當(dāng)動(dòng)態(tài)庫(kù)加載器查找動(dòng)態(tài)庫(kù)文件時(shí)，就可以直接在這個(gè)緩存文件中進(jìn)行查找，加快了動(dòng)態(tài)庫(kù)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??？

在 Linux 中同樣如此！

比如：最近一段時(shí)間的工作，每次都要打開(kāi)一個(gè)路徑很深的文件。

如果在資源管理器中，一層一層的點(diǎn)擊鼠標(biāo)，是不是比較浪費(fèi)時(shí)間。

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

硬鏈接之應(yīng)用：從不同角度對(duì)文件進(jìn)行分類

比如我有一個(gè)文件夾，存儲(chǔ)了10 個(gè)G的照片。

這些照片中的人物、拍照地點(diǎn)、拍照時(shí)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(diǎn)進(jìn)行分類，還想根據(jù)拍照時(shí)間進(jìn)行分類，那該怎么辦？

因?yàn)?span>一張照片可能同時(shí)屬于多個(gè)不同的分類，難道每個(gè)分類中都復(fù)制一張照片？這樣也太浪費(fèi)硬盤(pán)空間了！

解決方案是：

所有的照片仍舊放在一個(gè)總的文件夾中，然后創(chuàng)建不同的分類文件夾，在每個(gè)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(duì)照片進(jìn)行了分類，而且一點(diǎn)都不占用硬盤(pán)空間。

硬鏈接應(yīng)用之：文件多人共享

當(dāng)很多人同時(shí)對(duì)同一個(gè)文件進(jìn)行維護(hù)的時(shí)候，如果大家都直接操作這個(gè)文件，萬(wàn)一不小心把文件刪除了，大家就都玩完了！

此時(shí)，可以在每個(gè)人自己的私人目錄中，創(chuàng)建一個(gè)硬鏈接。

每次只需要對(duì)這個(gè)硬鏈接文件進(jìn)行操作，所有的改動(dòng)會(huì)自動(dòng)同步到目標(biāo)文件中。

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

因?yàn)閯h除硬鏈接文件，僅僅是把該文件的 inode 節(jié)點(diǎn)中的 links 值減 1 而已，只要不為 0，就不會(huì)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(shí)候，如果是實(shí)實(shí)在在的拷貝一份，那真的是太浪費(fèi)磁盤(pán)空間，特別是對(duì)于我這種只有 256G 硬盤(pán)空間的筆記本。

此時(shí)，就可以利用硬鏈接功能，既實(shí)現(xiàn)文件備份的目的，又節(jié)省了大量的硬盤(pán)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(gè)倉(cāng)庫(kù)時(shí)，執(zhí)行 clone 指令：

git clone --reference
git 并不會(huì)把倉(cāng)庫(kù)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！

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