别怕Linux编程

硬连接和软连接的原理-《别怕Linux编程》之七

本原创文章属于《Linux大棚》博客,博客地址为http://roclinux.cn。文章作者为rocrocket。
为了防止某些网站的恶性转载,特在每篇文章前加入此信息,还望读者体谅。

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[正文开始]

引子

目前,UNIX的文件系统有很多种实现,例如UFS(基于BSD的UNIX文件系统)、ext3、ext4、ZFS和Reiserfs等等。

不论哪一种文件系统,总是需要存储数据。硬盘的最小存储单位是扇区,数据所存储的最小单位则不是扇区,因为用扇区来存储效率就太低了。一个扇区只有512字节,而磁头是一个扇区一个扇区地读取,也就是说,如果文件是10MB,那么为了读这个文件,磁头必须要进行读取20480次。这样效率是极其低下的。

逻辑块

为了提高效率,就有了逻辑块(Block)的概念,也可以叫做数据块。逻辑块是在分区进行文件系统的格式化时所指定的“最小存储单位”,这个最小存储单位是以扇区为基础的,所以逻辑块的大小总是扇区的2的n次方倍。此时,磁头可以一次读取一个块,这样效率可就高了!

逻辑块的规划是很有学问的,并不是越大越好,因为一个逻辑块最多也只能容纳一个文件(在Linux的ext2中),所以如果逻辑块被规划的太大,那么会很浪费磁盘空间。举个例子,如果一个逻辑块为4KB,而有一个文件只有0.1KB大小,而这个小文件仍然要占用一个逻辑块,因此就会浪费3.9KB的空间。

所以,在规划磁盘时,需要考虑到主机的用途。比如BBS主机,由于文章短小,文件较小,那么逻辑块分配的小一点好。如果主机主要用在存储大容量的文件,那么考虑到使用效率,还是逻辑块大一点好!

磁盘的组成

我们可以把一个磁盘分成一个或多个分区。每个分区可以包含一个文件系统。

我们下面要描述一个分层细化的过程,请您集中精力来随我思考:

1 磁盘是由一个一个分区组成的,即磁盘=分区+分区+分区…

2 每一个分区内都有一个文件系统,且一个分区内有且仅有一个文件系统。

3 每个分区内都依次包含这些内容:自举块(也叫引导块),超级块,柱面组0,柱面组1,…柱面组n。即分区=自举块+超级块+柱面组(若干)

4 每个柱面组又包括了这些内容:超级块副本,配置信息,i节点图(记录哪些i节点可用),块位图(记录哪些块是否可用),i节点(许多),数据块(也叫逻辑块)

好了,你应该可以根据1,2,3,4在脑海里构造出一张分层图了,如果你把它画出来,对你记忆i节点的概念会更有好处。

超级块

超级块(superblock)的作用是存储文件系统的大小、空的和填满的块,以及它们各自的总数和其他诸如此类的信息。要使用一个分区来进行数据访问,那么第一个要访问的就是超级块。所以,如果超级块坏了,那磁盘也就基本没救了。

i节点

下面要讲到i节点,就不能不提提Linux的安全性。由于Linux操作系统是一个多用户、多任务的环境,为了保护每个用户所拥有数据的隐密性,就将每个文件分成了两个部分来存储:一个是文件的属性,另一个则是文件的内容。

i节点(iinode)就是用来存储文件的属性的;而数据块(逻辑块)是用来存储文件的内容的!

如果要格式化一个分区,就要指定inode的大小和块的大小才行!更通俗的说,一个ext2文件系统是一定要包括inode表与块区域这两个部分的!

至于块,我在前面提到过,它也叫逻辑块,还叫数据块,它是数据存储的最小单位。

而inode“记录文件属性以及文件内容放置在哪一个块内”的信息,更通俗的说,inode除了包含文件的属性之外,还包括一个指针,这个指针就指向文件内容放置的数据块的位置,好让操作系统可以方便的去读取文件内容。

在inode中一般包括了这样一些文件属性信息:

  • 文件的拥有者和所属用户组;
  • 文件的访问权限设定;
  • 文件的类型;
  • 文件的访问、修改等时间
  • 文件的大小;
  • 文件的各种标志,如SUID和SGID等;
  • 指向文件内容数据块的指针。

一个inode的大小通常为128字节。(在ext4中这个知识将被颠覆,ext4中的inode大小将扩展到256字节)

好,下面就来看看到底我们怎么利用inode来管理文件呢?

目录

先来看看有关目录操作的细节:

如果我们建立了一个目录,那么系统会分配给该目录一个inode和至少一个块。这个inode就记录该目录的相关属性,并将其中的指针指向分配的那个数据块。而所分配的块内则记录了这个目录下的相关文件(和子目录)的关联性,更通俗的说,目录块中存储了一个包括三列的表,三列分别为:inode,文件名或目录名,指向数据块的指针。

我们用vi命令来查看一下一个目录的内容到底是什么:(当然这只是用户看到的,和文件系统的底层实现是不同的。)

" ============================================================================
" Netrw Directory Listing                                        (netrw v109)
"   /rocrocket/PSB/home/git27
"   Sorted by      name
"   Sort sequence: [\/]$,\.h$,\.c$,\.cpp$,\.[a-np-z]$,*,\.info$,\.swp$,\.o$\.obj$,\.bak$
"   Quick Help: <F1>:help  -:go up dir  D:delete  R:rename  s:sort-by  x:exec
" ============================================================================
../
./
.git/
roc.c

双引号开头的是注释部分,而后紧跟着四个项,前两个是任何目录都固有的“上级目录”和“当前目录”,而后是一个隐藏目录.git,最后是一个当前目录下的文件roc.c。可见,一个目录其实也是一个文件,只不过它其中不存储用户数据,而是存储目录下的文件和子目录列表。

如果在Linux中新建一个普通文件,则系统会为该文件分配至少一个inode与相对于该文件大小的块数量。例如,假设一个块为4KB,要建一个100KB的文件,则Linux将分配一个inode与25个块来存储该文件。

有一点要特别!特别!特别!提醒的是:inode本身并不记录文件名,而是记录文件的相关的属性(在上文提到过的那些属性),文件名则记录在目录所属的块区域。正因为这个原因,使得如果Linux读取一个文件的内容,就要先由根目录/获取该文件的上层目录所在的inode,再由该目录所记录的的文件关联性获取该文件的inode,最后通过inode内提供的块指针来获取最终的文件内容。

链接计数

而当谈到链接数的时候,这里我还要提出一些概念和几个规律性的结论:

每个i节点中都存有一个链接计数,其值是指向该i节点的目录项数。

只有当链接技术减少到0时,才可删除该文件(也就是释放该文件占有的数据块)

能够增加链接数的链接为硬链接。

软链接也叫符号链接,它的inode的文件类型是S_IFLNK。它只是存储了另一个文件的路径和名称而已。

任何一个叶目录(不包含任何其他目录的目录)的链接计数总是2,数值2来自于命名该目录的目录项以及在该目录中的.项。

父目录中的每一个子目录都会使该父目录的链接计数增1。

精彩引文

最后给出csdn网上qxp网友的一段关于软链接和硬链接的评论,很不错:

我们知道unix文件大致可以分为这样三部分:目录(文件名),inode   和数据区。

对于复制来说,不仅仅创建了新的目录项(文件名),新的inode,还复制了该文件的所有数据;

而硬连结则仅仅创建了新的目录项,并且在目录项中相应的inode编号被连结到相应的文件的inode编号,同时,该文件的inode引用计数加1;

这样,你删除原来的文件时候,文件数据并不会被删除,因为inode结点引用计数>0,所以,通过硬连结还能继续访问。

换句话说,硬连接使得该文件存在另外一个别名,也就是另外一个入口。

顺便说一下软连结,就是符号连结,其实就相当于是windows下的快捷方式。

创建了一个新的目录项,一个新的inode,只不过数据区里放的是被引用的文件路径和名称。

结尾PS

ps:其实写这篇文章的目的,是为了在另一篇文章中更好的讲解ln命令,到时会给出大家那篇文章的一个链接。

ps2:关于inode和目录的一点优秀评论:一个文件系统维护了一个索引节点的数组,每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一的元素对应。每个索引节点在数组中的索引号,称为索引节点号。linux文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中,所以,目录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表,目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个连接。

参考文献

本文参考《鸟哥的Linux私房菜》和《UNIX高级环境编程》;

更多信息可以查看http://baike.baidu.com/view/1097021.htmhttp://security.zdnet.com.cn/security_zone/2008/1218/1284126.shtml以及上述资料。

over~

10条评论

  1. 谢谢你的解答,我去找这本书看看,希望以后多多指教。这个网站不能注册?

  2. 我有一点很疑惑,想请教一下:
    “任何一个叶目录(不包含任何其他目录的目录)的链接计数总是2,数值2来自于命名该目录的目录项以及在该目录中的.项。
    父目录中的每一个子目录都会使该父目录的链接计数增1。”

    对于这个,算不算是硬链接呢?如果不是硬链接,那么连接数为什么会增加,inode又为什么相同?如果是硬链接,那么为什么目录又可以进行硬链接?
    对于这点,我感觉很迷惑,求解答,谢谢。

    1. 你好!我的理解是,文件夹的链接计数和文件的链接计数本质上应该都属于硬链接的范畴,可以这么认为。但是,在Linux系统管理inode时,是将inode分为文件inode和文件夹inode来区别对待的,我们常说的硬链接,几乎都是针对文件来说的,不必纠结在目录的inode的链接计数上。可以看看《UNIX环境高级编程》的第4.14章节,里面的图4-2和图4-3能够很清晰的说明这个问题。

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