Linux中的軟鏈接、硬鏈接：都用在哪些場合？
最近，看到很多文章都在介紹 Linux 中的文件系統，其中就包括：inode 節點、軟鏈接、硬鏈接等重要的概念。
于是就有小伙伴私信問我：這些概念我都懂，但是我能利用他們來完成什么工作呢?
或者說，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?
這篇文章我們就來簡單梳理一下，軟鏈接和硬鏈接的幾個使用場景。
什么是索引節點
什么是硬鏈接
什么是軟鏈接
軟鏈接應用之：靈活切換不同版本的目標程序
軟鏈接應用之：動態庫版本管理
軟鏈接應用之：快捷方式
硬鏈接應用之：從不同角度對文件進行分類
硬鏈接應用之：文件多人共享
硬鏈接應用之：文件備份
文件和索引節點 inode
在 Linux 系統中，我們可以把一個文件看做 3 個組成部分：
- 文件名：從用戶角度來描述一個文件;
- 文件內容：也就是文件中存儲的那些數據;
- 文件的描述信息：文件的類型、所有者、創建時間等等，可以稱之為元信息;
可以簡單的做一個類比：
文件本身的內容，可以看做一個實實在在的人。
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人的姓名、年齡、住址等信息，警察叔叔通過這個戶籍卡，就知道這個人的一切描述信息，除了你腦袋里的知識。
回到計算機中，文件的所有信息都需要存儲在硬盤上，因此就要對硬盤進行區域劃分：不同的區域存儲不同類型的數據，這就是文件系統的重要作用。
在 Linux 系統使用的 ext2/ext3 文件系統中，從硬盤上劃分一塊區域，用來存放文件本身的內容(數據)，這塊區域按照一個最小單位：塊(block)來進行劃分。
然后從硬盤上劃分出另一塊區域，專門用來存放所有文件的描述信息。
每一個文件的描述信息，都用一個名為索引節點(inode)的數據結構來表示，所有文件的 inode 就統一放在這塊硬盤區域中。
就像戶籍卡上記錄了一個人的住址一樣，一個文件的索引節點(inode)中，也記錄了這個文件的所有描述信息，包括：文件類型、所有者、創建時間等待，當然也包括文件內容存儲在硬盤的哪些塊(block)中。
當我們調用打開文件 API 函數的時候，操作系統首先根據傳入的文件路徑，找到這個文件的 inode，然后進行一系列的權限檢查操作，最后從 inode 中獲得這個文件的內容存儲在哪些塊(block)中，從而可以對文件的內容進行讀取、寫入操作。
文件名稱只是給我們用戶來使用的，操作系統只是通過 inode 節點，來對文件進行管理的。
當我們創建一個新文件的時候，就同時創建了這個文件對應的 inode 節點。
當我們刪除一個文件的時候，就同時刪除了這個文件對應的 inode 節點。
此時，文件本身內容所在的那個塊中，數據并不會被抹除掉，因此有些數據恢復軟件就是利用這個特點來進行數據找回。
一句話總結：索引節點(inode)就像戶籍卡，操作系統通過 inode 來管理所有的文件。
硬鏈接
剛才已經說到，每一個文件都對應一個 inode 節點。
例如有一個文件 a.txt，文件內容長度是 1024 個字節，存放在硬盤上的某個塊(block)中，假設就是第 10000 個塊吧。
那么這個文件對應的 inode 節點中，就會把 10000 這個塊記錄下來。
同時，它還有一個 links 字段，表示：當前這個 inode 對應一個文件，此時 inode.links 的值為 1。
此時，如果我們用另一個文件名 a_hard_link.txt，也來表示 a.txt 這個文件。
也就是說：雖然我們用了 2 個文件名稱，但是本質上指向同一個文件，內容都指向第 10000 個塊中存儲的文件內容。
Linux 系統中提供了硬鏈接來支持這樣的目的，它僅僅是把 inode 節點中的 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訪問同一個文件，所有的操作最終修改的都是同一個文件。
如果僅僅從用戶的角度來看，好像我們是在操作不同的文件，但是這些文件具有自動同步的功能。
這個行為有點類似于網盤：
在云存儲中有一個文件 hello.txt，然后我有兩臺電腦 A 和 B，這兩臺電腦會把云端的文件 hello.txt 都創建一個鏡像文件在本地，就好像這個文件就在自己的硬盤上一樣。
當我在電腦 A 上操作 hello.txt 時，電腦 B 中的同名文件會自動更新。
因此，從行為上來看，硬鏈接就相當于是：文件拷貝 + 自動同步。
再來看一下硬鏈接文件的刪除操作。
在執行 $ ln a.txt a_hard_link.txt 指令之后，該文件對應的 inode 節點中，links 的值為 2。
如果我們刪除 a.txt，操作系統會把該文件對應的 inode 中的 links 值減1，結果為 1，操作系統發現不為 0，因此并不會刪掉這個 inode。
如果我們再刪除 a_hard_link.txt，操作系統再次執行 inode.links 減1 動作，發現值變成了 0，于是就把這個 inode 刪除了，于是這個文件就徹底不存在了。
這就相當于把一個人的戶籍卡給注銷掉了，從戶籍管理角度看，這個人就不存在了。即使存在，也是一個黑戶。
硬鏈接存在 2 個限制：
不允許用戶給目錄創建硬鏈接，即：用戶不可以，操作系統可以(想一下每個目錄下的 . 和 ..);
只有在同一個文件系統中的文件，才能創建硬鏈接，也就是說：不能跨文件系統;
軟鏈接
為了克服硬鏈接的 2 個限制，軟鏈接被引入進來了。
軟鏈接也叫符號鏈接，它是一個獨立的文件。
軟鏈接文件的內容是一個文本字符串，存儲的是目標文件(即：鏈接到的文件)的路徑名。
這個路徑名可以指向任意一個文件系統的任意文件或者目錄，甚至可以指向一個不存在的文件。
與創建硬鏈接不同的是：當我們創建了一個軟鏈接之后，操作系統會創建一個新的 inode 來表示這個軟鏈接文件。
例如有一個文件 a.txt，我們創建一個軟鏈接 a_soft_link.txt 來指向它：
- $ ln -s a.txt a_soft_link.txt
此時，a.txt 和 a_soft_link.txt 各自都有自己的 inode 節點。
圖中的綠色虛線，就表示軟鏈接文件中的文件路徑。
正因為軟鏈接文件中存儲的僅僅是目標文件的路徑字符串，所以可以表示任意一個文件系統中的文件，或者是目錄。
當我們打開文件軟鏈接 a_soft_link.txt 時，操作系統從 a_soft_link.txt 對應的 inode 數據結構中發現：這是一個軟鏈接文件。
于是操作系統就根據其中的路徑信息，找到 a.txt 的 inode 節點，從而對最終的目標文件進行操作。
再來看一下軟鏈接文件的刪除操作。
如果我們把目標文件 a.txt 刪除掉之后，inode 節點會被刪除掉，就相當于它的戶籍卡被注銷掉了。
此時再次打開軟鏈接 a_soft_link.txt 時，雖然其中的路徑信息仍然存在，但是系統此時卻找不到 a.txt 對應的 inode 節點了。
因此，軟鏈接就類似于與 Windows 系統中的快捷方式。
當真正的目標文件被刪除之后，快捷方式也就沒有存在的意義了。
軟鏈接應用之：靈活切換不同版本的目標程序
在開發的過程中，對于同一個工具軟件，可能要安裝多個不同的版本，例如：Python2 和 Python3， JDK8 和 JDK9 等等。
此時就可以通過軟鏈接來指定當前使用哪個版本。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*
當在終端窗口中輸入：python 時，啟動的是 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。
軟鏈接應用之：動態庫版本管理
在 Linux 系統的動態庫版本管理中，有一個 SONAME 的概念。
我們在編譯一個動態鏈接庫時，一般使用如下編譯命令：
- $ gcc -fPIC -shared -o libhello.so hello.c
在使用這個動態庫時，需要鏈接這個庫：-llibhello。
簡單的 demo 可以這么來寫，但是如果遇到一些比較大的項目，需要執行嚴格的版本管理，那應該怎么來操作呢?
Linux 系統已經為我們想到了問題的解決方案，利用 SO-NAME。
首先，在編譯動態鏈接庫文件時，就指定產生 SO-NAME，它會被存儲在動態鏈接庫 ELF 文件中。
我們來直接看一個優秀的開源工具 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
此時使用 readelf 命令來查看生成的動態庫文件 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 系統在查找動態鏈接庫文件時，會到下面這 3 個默認目錄下查找(當然然還有其他目錄，比如：當前目錄，LD_LIBRARY_PATH 指定的目錄)
/lib: 存放操作系統最關鍵和基礎的庫文件;
/usr/lib: 存放一些非系統運行時所需要的關鍵庫文件;
/usr/local/lib: 存放用戶自己安裝的一些第三方庫文件;
系統中安裝的所有動態鏈接庫，借助 ldconfig 這個程序，會自動的創建、更新或者刪除對應的 SONAME(它是一個軟鏈接，鏈接到 實際的庫文件)，并把這些 SONAME 匯總到一個文件 /etc/ld.so.cache 中緩存起來。
這樣，當動態庫加載器查找動態庫文件時，就可以直接在這個緩存文件中進行查找，加快了動態庫的查找速度。
軟鏈接應用之：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：我們為什么在 Windows 的桌面上創建很多軟件的快捷方式啊?
在 Linux 中同樣如此!
比如：最近一段時間的工作，每次都要打開一個路徑很深的文件。
如果在資源管理器中，一層一層的點擊鼠標，是不是比較浪費時間。
此時，就可以在桌面上創建一個軟鏈接，每次直接雙擊就打開所鏈接的目標文件了。
硬鏈接之應用：從不同角度對文件進行分類
比如我有一個文件夾，存儲了10 個G的照片。
這些照片中的人物、拍照地點、拍照時間都是不一樣的。
現在，我既想根據照片中的人物進行分類，也想根據拍照地點進行分類，還想根據拍照時間進行分類，那該怎么辦?
因為一張照片可能同時屬于多個不同的分類，難道每個分類中都復制一張照片?這樣也太浪費硬盤空間了!
解決方案是：
所有的照片仍舊放在一個總的文件夾中，然后創建不同的分類文件夾，在每個分類文件夾中，創建硬鏈接到目標照片文件。
這樣的話，不僅對照片進行了分類，而且一點都不占用硬盤空間。
硬鏈接應用之：文件多人共享
當很多人同時對同一個文件進行維護的時候，如果大家都直接操作這個文件，萬一不小心把文件刪除了，大家就都玩完了!
此時，可以在每個人自己的私人目錄中，創建一個硬鏈接。
每次只需要對這個硬鏈接文件進行操作，所有的改動會自動同步到目標文件中。
由于每個人都是操作硬鏈接文件，即使不小心刪除了，也不會導致文件的丟失。
因為刪除硬鏈接文件，僅僅是把該文件的 inode 節點中的 links 值減 1 而已，只要不為 0，就不會真正的刪除文件。
硬鏈接之應用：文件備份
一些小伙伴有定期備份文件、清理文件的好習慣。
在備份的時候，如果是實實在在的拷貝一份，那真的是太浪費磁盤空間，特別是對于我這種只有 256G 硬盤空間的筆記本。
此時，就可以利用硬鏈接功能，既實現文件備份的目的，又節省了大量的硬盤空間，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，當克隆本地的一個倉庫時，執行 clone 指令：
- git clone --reference <repository>
git 并不會把倉庫中的所有文件拷貝到本地，而僅僅是創建文件的硬鏈接，幾乎是零拷貝!
