42、Linux 文件、目录与链接及文件系统详解-优快云博客

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Linux 文件、目录与链接及文件系统详解

1. 硬链接（Hard Links）

硬链接是指向文件索引节点（inode）的目录项。每个文件都有一个索引节点，其中包含有关该文件的信息，包括文件数据的位置。每个索引节点至少被一个目录项引用，有时会被多个目录项引用。

以下是创建硬链接的实验步骤：
1. 以 student 用户身份，将 ~/testdir 设为当前工作目录（PWD），并删除该目录下的所有文件：

[student@studentvm1 testdir]$ cd ~/testdir ; rm -rf * ; ll
total 0

创建一个包含简单文本内容的文件，并列出目录内容：

[student@studentvm1 testdir]$ echo "Hello World" > file001 ; ll
total 4
-rw-rw---- 1 student student 12 Feb 12 11:59 file001

这里权限和所有者之间的数字 1 表示该文件的硬链接数量。因为只有一个目录项指向此文件，所以只有一个链接。可以使用 stat 命令验证：

[student@studentvm1 testdir]$ stat file001
  File: file001
  Size: 12           Blocks: 8      IO Block: 4096   regular file
Device: 253,4   Inode: 2182       Links: 1
Access: (0660/-rw-rw----)  Uid: ( 1000/ student)   Gid: ( 1000/ student)
Access: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500
Modify: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500
Change: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500
 Birth: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500

创建该文件的硬链接。 ln 实用程序默认创建硬链接：

[student@studentvm1 testdir]$ ln file001 link1 ; ll
total 8
-rw-rw---- 2 student student 12 Feb 12 11:59 file001
-rw-rw---- 2 student student 12 Feb 12 11:59 link1

此时两个目录项的链接计数都变为 2 。显示两个文件的内容并对它们使用 stat 命令：

[student@studentvm1 testdir]$ cat file001 link1
Hello World
Hello World
[student@studentvm1 testdir]$ stat file001 link1
  File: file001
  Size: 12              Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 253,4   Inode: 2182       Links: 2
Access: (0660/-rw-rw----)  Uid: ( 1000/ student)   Gid: ( 1000/ student)
Access: 2023-02-12 12:06:11.752916155 -0500
Modify: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500
Change: 2023-02-12 12:04:34.457983455 -0500
 Birth: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500
  File: link1
  Size: 12              Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 253,4   Inode: 2182       Links: 2
Access: (0660/-rw-rw----)  Uid: ( 1000/ student)   Gid: ( 1000/ student)
Access: 2023-02-12 12:06:11.752916155 -0500
Modify: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500
Change: 2023-02-12 12:04:34.457983455 -0500
 Birth: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500

可以看到两个文件的所有元数据（包括索引节点号和链接数）都是相同的。
4. 在同一目录中创建另一个链接：

[student@studentvm1 testdir]$ ln link1 link2 ; ll
total 12
-rw-rw---- 3 student student 12 Feb 12 11:59 file001
-rw-rw---- 3 student student 12 Feb 12 11:59 link1
-rw-rw---- 3 student student 12 Feb 12 11:59 link2

可以对这三个文件使用 stat 命令来验证它们的元数据是否相同。
5. 在主目录中创建指向该索引节点的链接：

[student@studentvm1 testdir]$ ln link1 ~/link3 ; ll ~/link*
-rw-rw---- 4 student student 12 Feb 12 11:59 link3

现在该文件有四个硬链接。可以使用 ls -li 或 ll -i 命令查看索引节点号：

[student@studentvm1 testdir]$ ll -i
total 12
2182 -rw-rw---- 4 student student 12 Feb 12 11:59 file001
2182 -rw-rw---- 4 student student 12 Feb 12 11:59 link1
2182 -rw-rw---- 4 student student 12 Feb 12 11:59 link2

尝试从 /tmp 创建硬链接：

[student@studentvm1 testdir]$ link file001 /tmp/link4
link: cannot create link '/tmp/link4' to 'file001': Invalid cross-device link

这个尝试失败了，因为 /tmp 和 /home 是不同的文件系统。硬链接仅限于单个文件系统内的文件，因为索引节点号仅在每个文件系统内是唯一的。

2. 查找具有多个硬链接的文件

find 命令可以查找具有多个硬链接的文件。以下是查找具有四个硬链接的文件的实验：

[root@studentvm1 ~]# find / -type f -links 4
/home/student/link3
/home/student/testdir/link2
/home/student/testdir/file001
/home/student/testdir/link1
/usr/sbin/fsck.ext2
/usr/sbin/mkfs.ext3
/usr/sbin/mke2fs
/usr/sbin/mkfs.ext4
/usr/sbin/e2fsck
/usr/sbin/fsck.ext3
/usr/sbin/mkfs.ext2
/usr/sbin/fsck.ext4

还可以查找 mkfs 文件的索引节点号：

[root@studentvm1 ~]# find / -type f -name mkfs*[0-9] -links 4 -exec ls -li {} \;
264063 -rwxr-xr-x. 4 root root 136976 Jul 20  2022 /usr/sbin/mkfs.ext2
264063 -rwxr-xr-x. 4 root root 136976 Jul 20  2022 /usr/sbin/mkfs.ext3
264063 -rwxr-xr-x. 4 root root 136976 Jul 20  2022 /usr/sbin/mkfs.ext4

这三个文件具有相同的索引节点号 264063 ，说明它们是同一个文件的多个链接。可以通过索引节点号查找所有链接：

[root@studentvm1 ~]# find /usr -inum 531003
/usr/sbin/mkfs.ext3
/usr/sbin/mke2fs
/usr/sbin/mkfs.ext4
/usr/sbin/mkfs.ext2

也可以使用 -samefile 选项来实现相同的目的，而无需知道索引节点号：

[root@studentvm1 ~]# find /usr -samefile /usr/sbin/mkfs.ext3
/usr/sbin/mkfs.ext3
/usr/sbin/mke2fs
/usr/sbin/mkfs.ext4
/usr/sbin/mkfs.ext2

3. 符号链接（Symbolic Links）

在之前的实验中发现，硬链接不能跨文件系统使用。而符号链接（也称为软链接或 symlinks）可以解决这个问题。符号链接可以在大多数硬链接使用的地方使用，并且有更多的用途。

符号链接与硬链接的区别在于，硬链接直接指向文件的索引节点，而符号链接指向一个目录项，即一个硬链接。因此，符号链接不依赖于索引节点号，可以跨文件系统工作，并且可以指向目录本身。

以下是创建符号链接的实验步骤：
1. 以 student 用户身份，将 ~/testdir 设为当前工作目录，创建一个符号链接并列出目录内容：

[student@studentvm1 testdir]$ ln -s link1 softlink1 ; ll
total 12
-rw-rw---- 4 student student 12 Feb 12 11:59 file001
-rw-rw---- 4 student student 12 Feb 12 11:59 link1
-rw-rw---- 4 student student 12 Feb 12 11:59 link2
lrwxrwxrwx 1 student student  5 Feb 12 12:37 softlink1 -> link1

可以使用 stat 命令验证符号链接和硬链接的不同：

[student@studentvm1 testdir]$ stat softlink1 link1
  File: softlink1 -> link1
  Size: 5               Blocks: 0          IO Block: 4096   symbolic link
Device: 253,4   Inode: 2183       Links: 1
Access: (0777/lrwxrwxrwx)  Uid: ( 1000/ student)   Gid: ( 1000/ student)
Access: 2023-02-12 12:37:31.635884495 -0500
Modify: 2023-02-12 12:37:31.633884495 -0500
Change: 2023-02-12 12:37:31.633884495 -0500
 Birth: 2023-02-12 12:37:31.633884495 -0500
  File: link1
  Size: 12              Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 253,4   Inode: 2182       Links: 4
Access: (0660/-rw-rw----)  Uid: ( 1000/ student)   Gid: ( 1000/ student)
Access: 2023-02-12 12:06:11.752916155 -0500
Modify: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500
Change: 2023-02-12 12:09:29.392779392 -0500
 Birth: 2023-02-12 11:59:41.942185794 -0500

符号链接有不同的时间戳、索引节点号和大小。
2. 从 /tmp 创建符号链接并验证内容：

[student@studentvm1 testdir]$ cd /tmp ; ln -s ~/testdir/file001 softlink2 ; ll /tmp
total 80
-rw-rw----  1 student student    13 Feb 10 09:26 file09
drwx------. 2 root    root    16384 Jan 17 07:29 lost+found
lrwxrwxrwx  1 student student    29 Feb 12 12:40 softlink2 -> /home/student/testdir/file001
drwx------  2 student student  4096 Feb  8 14:35 ssh-XXXXXX2UEIbd
drwx------  2 student student  4096 Feb 11 13:29 ssh-XXXXXXhSPk1A
<snip>
[student@studentvm1 tmp]$ cat softlink2
Hello World

删除原始文件，观察符号链接的变化：

[student@studentvm1 testdir]$ rm file001 ; ll
total 8
-rw-rw---- 3 student student 12 Feb 12 11:59 link1
-rw-rw---- 3 student student 12 Feb 12 11:59 link2
lrwxrwxrwx 1 student student  5 Feb 12 12:37 softlink1 -> link1

删除符号链接指向的硬链接会导致符号链接损坏。可以通过创建同名的新硬链接来修复损坏的符号链接，或者使用 rm 命令删除不再需要的符号链接。 unlink 命令也可以用于删除文件和链接。

3. 总结

通过以上实验，我们了解了硬链接和符号链接的特点和使用方法。硬链接适用于同一文件系统内的文件，而符号链接可以跨文件系统工作。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的链接类型。

以下是硬链接和符号链接的对比表格：
| 特性 | 硬链接 | 符号链接 |
| ---- | ---- | ---- |
| 跨文件系统 | 不支持 | 支持 |
| 指向对象 | 索引节点 | 目录项（硬链接） |
| 依赖索引节点号 | 是 | 否 |
| 可指向目录 | 否 | 是 |
| 元数据 | 与原文件相同 | 与原文件不同 |

下面是创建链接的流程图：

graph TD;
    A[开始] --> B[创建文件];
    B --> C{选择链接类型};
    C -- 硬链接 --> D[使用ln命令创建硬链接];
    C -- 符号链接 --> E[使用ln -s命令创建符号链接];
    D --> F[验证硬链接属性];
    E --> G[验证符号链接属性];
    F --> H[结束];
    G --> H;

4. 文件系统的定义

“文件系统”这个术语在不同的场景下有不同的含义，主要包括以下三种：
1. 特定的数据存储格式 ：如 EXT3、EXT4、BTRFS、XFS 等。Linux 支持近 100 种文件系统类型，每种类型都有自己的元数据结构，用于定义数据的存储和访问方式。
2. 整个 Linux 分层目录结构 ：从根目录（/）开始的整个目录体系。
3. 格式化后的分区或逻辑卷 ：使用特定类型的文件系统格式化的分区或逻辑卷，可以挂载到 Linux 文件系统的指定挂载点上。

5. 数据存储在存储设备上的原因

每台通用计算机都需要将各种类型的数据存储在硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）或类似的存储设备（如 USB 闪存驱动器）上，主要有以下两个原因：
- RAM 的易失性 ：计算机断电后，RAM 中的内容会丢失。虽然有非易失性 RAM（如用于 USB 闪存驱动器和 SSD 的闪存 RAM），但普通 RAM 仍然是易失性的。
- 成本因素 ：即使 RAM 和磁盘的成本都在迅速下降，但每字节的成本上，RAM 仍然比磁盘空间昂贵。例如，根据 16GB RAM 和 2TB 硬盘的成本计算，RAM 的单位成本约为硬盘的 71 倍。

6. 解决文件系统相关问题及操作

在 Linux 系统中，可能会遇到各种与文件系统相关的问题，以下是一些常见问题的解决方法和操作步骤：

6.1 查找具有特定硬链接数量的文件

可以使用 find 命令查找具有特定硬链接数量的文件。例如，查找具有四个硬链接的文件：

[root@studentvm1 ~]# find / -type f -links 4

6.2 查找特定文件名且具有特定硬链接数量的文件的索引节点号

[root@studentvm1 ~]# find / -type f -name mkfs*[0-9] -links 4 -exec ls -li {} \;

6.3 通过索引节点号查找文件

[root@studentvm1 ~]# find /usr -inum 531003

6.4 使用 `-samefile` 选项查找文件

[root@studentvm1 ~]# find /usr -samefile /usr/sbin/mkfs.ext3

6.5 创建符号链接

[student@studentvm1 testdir]$ ln -s link1 softlink1

6.6 从 `/tmp` 创建符号链接并验证内容

[student@studentvm1 testdir]$ cd /tmp ; ln -s ~/testdir/file001 softlink2
[student@studentvm1 tmp]$ cat softlink2

6.7 删除文件和链接

可以使用 rm 命令删除文件和链接，也可以使用 unlink 命令删除文件和链接。例如：

[student@studentvm1 testdir]$ rm file001
[student@studentvm1 testdir]$ unlink softlink1

7. 总结与建议

在 Linux 系统中，文件、目录和链接的管理是非常重要的。硬链接和符号链接各有特点，需要根据具体需求进行选择。同时，了解文件系统的不同定义和数据存储在存储设备上的原因，有助于更好地管理和维护系统。

以下是一些操作建议的列表：
1. 在创建硬链接时，要注意硬链接只能在同一文件系统内使用。
2. 使用符号链接时，要注意其指向的硬链接被删除或重命名会导致符号链接损坏。
3. 在查找文件时，可以根据需要使用 find 命令的不同选项。

下面是一个处理文件系统问题的流程图：

graph TD;
    A[遇到文件系统问题] --> B{问题类型};
    B -- 查找文件 --> C[使用find命令查找];
    B -- 创建链接 --> D{选择链接类型};
    D -- 硬链接 --> E[使用ln命令创建];
    D -- 符号链接 --> F[使用ln -s命令创建];
    B -- 删除文件或链接 --> G{选择删除命令};
    G -- rm --> H[使用rm命令删除];
    G -- unlink --> I[使用unlink命令删除];
    C --> J[问题解决];
    E --> J;
    F --> J;
    H --> J;
    I --> J;

通过以上内容，我们对 Linux 系统中的文件、目录、链接和文件系统有了更深入的了解，可以更好地进行系统管理和维护。