从文件系统的角度区分硬链接与软连接

摘要

链接的目的是为了实现文件共享。

同一个文件系统中如果两个文件（目录也是文件）具有相同的inode号码，那么就称它们是“硬链接”关系。这些具有硬链接关系的文件系统对象名字具有相同的inode号码，彼此是平等的。即首个被创建的文件并没有特殊的地位。

软链接有着自己的inode号以及用户数据块。只不过用户数据块中存放的内容是被链接文件的路径。当用户访问这个文件时，系统会根据所存储的路径，层层找到被链接的文件，如果这个文件已经被删除了，则会提示No such file or directory。

通过文件名打开文件，实际上是分成三步实现：首先，操作系统找到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

1 引言

本人不喜看书，因为低效。看大半部分便草草结束。所以从汤小丹《计算机操作系统原理》，到郑刚的《操作系统真象还原》，再到Tanenbaum的《现代操作系统》，才理解鸟哥书上（该书本处图不看也罢）关于硬链接与软连接的区别。
网上很多文章挺好，但是“缺少图片”。文字描述，有时候不好理解。故结合多篇文章与上面书籍中的相关内容，揉在一起，产生了下面的内容：从文件系统的角度区分硬链接与软连接。

2 文件系统的相关概念

2.1 创建文件系统的目的

首先，为什么需要文件系统？（只有需要，human才创建它，当然不是为了好玩）

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。

其实往简单点说：因为硬盘能长期存储，为了管理硬盘，产生了文件系统。
操做系统提取处理器的概念来建立进程的抽象，提取物理存储器（内存）的概念来建立进程（虚拟）地址空间的抽象；从硬盘中建立抽象----文件，来解决信息长久存储/调用等问题。

硬盘上的文件由进程创建。硬盘上的文件使用之前，要被进程加载进入内存。
而“文件描述符，进程，文件之间的关系”，可以参看下面的链接。由于和本篇文章的关系不大，咱们不做介绍。（咱也不清楚，咱也不敢问。因为这里面最起码有硬盘驱动得事。）
文件描述符（File Descriptor）简介
 Linux文件描述符到底是什么？
每个Unix进程都有的三个标准POSIX文件描述符

思考一个问题：内存和硬盘都为存储介质，为什么建立了不同的抽象？（一个为虚拟地址空间，一个为文件系统）
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2.2 文件系统的概念简介

~~硬链接与软连接的区别呢？为啥还在说文件系统。糊你一脸。~~
~~无奈啊，从文件系统的角度，可以很好的理解硬链接与软连接。所以咱们还得接着扛。~~
硬盘可以长久保存信息。咱们需要硬盘来保存文件。
所以，咱们如何在硬盘上组织文件系统，使得硬盘可以合理得存储文件，便于增删改查？

前提：我们现在考虑的范围，只有一个文件系统（不考虑虚拟文件系统(VFS））
能力有限，无法引导思考，咱们直接看文件系统得布局。（图片来自《操作系统真象还原》）
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关于引导，主分区，逻辑分区之类咱们跳过。具体情况，我不知道，下面引用wiki-inode的一段话，来说明上面这张图的目的（di）。（当然，很明显，wiki这段解释，很不严谨。能力有限，不能修正）

文件系统创建（格式化）时，就把存储区域分为两大连续的存储区域。一个用来保存文件系统对象的元信息数据，这是由inode组成的表，每个inode默认是256字节或者128字节。另一个用来保存“文件系统对象”的内容数据，划分为512字节的扇区，以及由8个扇区组成的4K字节的块(block)。块是读写时的基本单位。一个文件系统的inode的总数是固定的。这限制了该文件系统所能存储的文件系统对象的总数目。典型的实现下，所有inode占用了文件系统1%左右的存储容量。

上面可知：文件 = 元信息(inode) + 内容数据(blocks)。
元信息可以包含文件的字节数，文件拥有者，文件读、写、执行权限、时间戳、链接数、blocks位置。

那目录如何处理？
首先明确一点，目录也是文件。不管文件是普通文件，还是目录文件，它总会存在于某个目录中，所有的普通文件或目录文件都存在于根目录’/'之下，根目录是所有目录的父目录。目录下面有文件，也可以有目录。目录也是文件。一个目录数据块中目录项数==文件数
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如上图所示。从根目录出发。文件 = 元信息(inode) + 内容数据(blocks)
根目录文件，有个inode。里面除了相关信息之外，包含若干个目录项。每个目录项对应一个文件。如果该文件是一个非目录文件，直接找到文件对应的inode编号，然后找到对应的block。如果是一个目录文件，找到对应的inode编号，如果有执行(x）权限，则可以打开目录，进入新的目录。以此类推。

表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

2.3文件共享

文件共享使多个用户（进程）共享同一份文件，系统中只需保留该文件的一份副本。如果系统不能提供共享功能，那么每个需要该文件的用户都要有各自的副本，会造成对存储空间的极大浪费。

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。

图片来自《现代操作系统》，4.3.4文件共享。
下面这张图，方框表示目录，圆圈表示文件。它仅仅是一个示意图，表文件共享。即一个文件只有一个副本，但是可以放在不同的目录下，通过不同的路径访问。

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那我们如何通过链接实现文件共享？

2.3.1 硬链接实现文件共享

在目录中增添新的目录项。目录项中存储被链接文件的inode。
所以：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。
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2.3.2 软连接实现文件共享

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
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2.3.3 硬/软链接特性对比

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；不能跨文件系统；
删除一个硬链接文件并不影响其他有相同 inode 号的文件。

由于软连接是一个存储着被链接文件的特殊文件，所以软连接具有一下特性：

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）。

2.3.4为什么硬链接不能指向目录

因为硬链接文件和普通文件一样，他们地位平等，系统无法区分（.和…除外）。
如果硬链接的对象，是普通文件，如上图所示，没有什么问题。
但如果硬链接的对象，是目录。比如这个目录是自身，即目录项中的存储的inode节点是自身。那么在树形的目录结构中，遍历的时候，会产生死循环。因为图结构中有自回环。同理，如果链接的目录不是自身，就更加复杂。
这也是：为什么允许目录的硬链接可能会打破文件系统的有向无环图结构。
而，软连接不会打破有向无环图。因为因为链接多产生一个文件，而且系统能够识别出它的属性(l)。
详细内容可以参考：多角度分析为什么 Linux 的硬连接不能指向目录