Linux文件系统中的硬链接及常见面试题

Shun

inode是Linux(Unix)操作系统中文件系统的一个概念。inode的全称为index node，也就是索引节点。那么inode是用来索引什么的呢?其实inode表示的是一个文件，它是用来索引文件数据的。

如果能对inode的概念有所了解，对理解本文会有所帮助。如果对inode的概念不太清楚也没有关系，我们会捎带介绍一下。在文件系统的实现层面，我们可以认为包含两个组件：一个是包含数据块的池子，池子中的数据块是等大小的，比如4KB，8KB等;另外一个是管理这些数据块的数据库。当普通用户访问文件数据时，正是通过前面所说的数据库来找到文件对应的数据块的。
什么是inode
inode是Linux(Unix)操作系统中文件系统的一个概念。inode的全称为index node，也就是索引节点。那么inode是用来索引什么的呢?其实inode表示的是一个文件，它是用来索引文件数据的。以Ext3文件系统为例，其文件数据通过间接块的方式来管理，inode通过一个间接块树来管理整个文件的数据。
图1 Ext3间接块数组组织形式
如图所示，inode中包含索引信息，通过文件的逻辑地址和inode中的索引信息，可以很方面的找到文件特定位置的数据。关于inode与文件系统的更多知识，大家可以翻阅本号的其它文章，本文不再赘述。
需要注意的是，在inode中并没有文件名称相关的信息。文件名称相关的信息是存储在目录当中，在目录当中有文件名称与inode ID之间的对应关系，具体如下所示。由于有两者之间的对应关系，因此可以根据文件名轻松地获取到inode ID，进而得到inode的信息。
图2 目录内数据格式
什么是硬链接
文件的硬链接是一个指向inode的目录项。硬链接从表面上来说就是一个文件，但是该文件是基于原始文件创建的链接文件。硬链接与源文件指向相同的inode，因此其数据也是完全一样的。
相对于硬链接，还有一个软链接的概念。软链接是指向一个具体的文件的，而非文件的inode，所以当文件重新命名时，软链接就会失效。因为该软链接原本指向的文件不存在了。而硬链接则不会存在这种情况。
假设如图所示的目录结构，在目录Linux中有file1和file2两个文件。目录编程语言中有file2文件一个指向目录linux中file1的硬链接。这是在用户层面的形态，那么在文件系统层面是如何的呢?
在文件系统层面，我们知道文件系统通过一个inode来指示一个文件(包括目录)的内容。目录“电子书”的inode ID是15，其内容图下图所示，包含Linux，编程语言等子目录，对应的inode ID分别如图所示。
对于目录“Linux”来说，其中包含文件file1和file2，inode ID分别是19和20。目录“编程语言”的包含文件file2和硬链接file1_hlink，可以看出file1的inode ID和硬链接file1_hlink的inode ID是相同的，都指向19。inode 19 的内容如下所示。

通过上图可以看出硬链接与源文件的对应关系。
如何在Linux创建一个硬链接
前面介绍了很多原理性的内容，那么如何在Linux中创建一个硬链接呢?很简单，通过ln命令即可，如下是创建硬链接的命令格式。

ln target_file link_name

上述命令将为文件target_file创建一个名为link_name的硬链接。通过对比你会发现两者没有任何差异，包括文件内容和属性。
如果你通过ls -li命令可以看到，两个文件的inode ID是相同的(第一列的内容)，而文件的计数则是2(rwx权限后面的数字)，说明有两个文件名称指向该inode。

134195 -rw-r--r-- 2 sunnyzhang sunnyzhang    0 Jul 17 19:49  target_file 
134195 -rw-r--r-- 2 sunnyzhang sunnyzhang    0 Jul 17 19:49  link_name

下面这些知识点在面试中经常遇到
在后端程序员面试过程中经常会遇到链接相关的面试题，下面几个面试题是硬链接相关的题目。
如果一个文件有硬链接，删除源文件会怎样?
如果存在硬链接，删除源文件将不会删除文件的数据。通过硬链接仍然能够访问文件的数据。
为什么会出现这种情况?这是因为当有目录项指向inode的时候，inode会增加引用计数。通常情况下引用计数是1，当有一个硬链接时为2，再有一个硬链接的时候就变成了3。
当我们删除普通文件(无硬链接)的时候，首先会删除目录项中的内容，然后将inode的引用计数减1，如果此时inode中引用计数为0，则删除该inode，同时删除相关联的数据。如果非0，则只删除目录项，而不删除相关内容。所以，如果存在硬链接则可以正常访问文件内容。
为什么没法为目录创建硬链接?
我们可以为目录创建一个软链接，但是当我们为目录创建硬链接的时候将会出现如下错误提示：

ln: newdir/test_dir: hard link not allowed for directory

为什么不能为目录创建硬链接呢?这是因为在目录中除了文件相关内容外，还有一个指向父目录的目录项，具体如下图所示的".."目录。如果我们在其它目录创建该目录的硬链接，那么该内容就会被改写，从而导致混乱。
除了导致目录数据混乱外，还有一种问题就是会形成路径环。至于如何形成路径环本文不再赘述，大家可以自己思考一下。
能否区分源文件与硬链接?
实际上并没有任何信息区分硬链接和源文件。如果我们在文件名命名规则上没有限制，那么我们将无法区分两者。也就是说，文件本身也是一个硬链接。

134195 -rw-r--r-- 2 sunnyzhang sunnyzhang    0 Jul 17 19:49  target_file 
134195 -rw-r--r-- 2 sunnyzhang sunnyzhang    0 Jul 17 19:49  link_target_file

比如上面这个例子，我们可以通过文件名称来知道哪个是硬链接。但是并没有其它信息进行区分。
如何查找一个文件的硬链接?
如果你发现一个文件的引用计数大于1，那么该文件肯定是有硬链接的。那么如何找到这个文件的所有硬链接呢?其实很简单，通过find命令就行。find命令有个-inum选项，用于查找指定inode ID的文件，具体如下。

find . -inum inode_number

今天的内容先到这里。
原文链接：https://www.toutiao.com/i6656730521013322244/