Linux硬链接与软连接实现对比

概述

linux系统中有一种比较特殊的文件称之为链接（link）。通俗地说，链接就是从一个文件指向另外一个文件的路径。linux中链接分为俩种，硬链接和软链接。简单来说，硬链接相当于源文件和链接文件在磁盘和内存中共享一个inode，因此，链接文件和源文件有不同的dentry，因此，这个特性决定了硬链接无法跨越文件系统，而且我们无法为目录创建硬链接。软链接和硬链接不同，首先软链接可以跨越文件系统，其次，链接文件和源文件有着不同的inode和dentry，因此，两个文件的属性和内容也截然不同，软链接文件的文件内容是源文件的文件名。

硬链接实现

看完前面的关于硬链接和软链接的介绍以后，接下来我们仔细考究下linux内核中对硬链接和软链接的实现。

使用strace工具，可以发现建立硬链接调用的函数是link()，该函数的内核入口为SYSCALL_DEFINE2()，其实就是sys_link()。我们就从这个入口开始一步步跟踪实现原理。

SYSCALL_DEFINE2(link, const char __user *, oldname, const char __user *, newname)
{ 
   
    return sys_linkat(AT_FDCWD, oldname, AT_FDCWD, newname, 0);
}

sys_link()其实调用了函数sys_linkat(AT_FDCWD, oldname, AT_FDCWD, newname, 0)。

SYSCALL_DEFINE5(linkat, int, olddfd, const char __user *, oldname,
int, newdfd, const char __user *, newname, int, flags)
{ 
   
    struct dentry *new_dentry;
    struct nameidata nd;
    struct path old_path;
    int error;
    char *to;

    if ((flags & ~AT_SYMLINK_FOLLOW) != 0)
        return -EINVAL;
    error = user_path_at(olddfd, oldname,
		         flags & AT_SYMLINK_FOLLOW ? LOOKUP_FOLLOW : 0,
		        &old_path);
    if (error)
        return error;

    /* 查找目的链接名的父目录的dentry */
    error = user_path_parent(newdfd, newname, &nd, &to);
    if (error)
        goto out;

    error = -EXDEV;
    /* 如果源和目的不是同一个文件系统，则返回错误 */	
    if (old_path.mnt != nd.path.mnt)
        goto out_release;

    /* 为链接文件创建dentry结构 */
    new_dentry = lookup_create(&nd, 0);
    error = PTR_ERR(new_dentry);
    if (IS_ERR(new_dentry))
        goto out_unlock;
    error = mnt_want_write(nd.path.mnt);
    if (error)
        goto out_dput;
    error = security_path_link(old_path.dentry, &nd.path, new_dentry);
    if (error)
        goto out_drop_write;
    error = vfs_link(old_path.dentry, nd.path.dentry->d_inode, new_dentry);
    ...
    return error;
}

其实，我们仔细思考+上面的图示可以明白，创建硬链接所做的事情主要包含：为链接文件创建一个dentry，初始化（主要是指初始化其inode号）；将链接文件的dentry写入父目录的数据块中。因此，上面的代码页就显得一目了然，代码主要做的事情有：

合法性检查，前面我们说硬链接不可跨越文件系统，这是因为链接文件和源文件共用一个inode，而inode号在同一个文件系统内才有意义；
获取链接文件父目录的inode结构；
为链接文件创建一个dentry结构；
等到一切准备工作就绪以后，初始化链接文件dentry结构中的inode号，并添加到父目录的数据块中。

上述步骤中的1、2、3在上面的函数中均有对应，而步骤4的主要工作则是在vfs_link()中进行，其传入的实参的意义也在代码中作了较为详细的说明，vfs_link()的实现如下：

int vfs_link(struct dentry *old_dentry, struct inode *dir, struct dentry *new_dentry)
{ 
   
    struct inode *inode = old_dentry->d_inode;
    int error;

    if (!inode)
        return -ENOENT;

    /* 检查是否有创建文件目录项权限 */
    error = may_create(dir, new_dentry);
    if (error)
        return error;

    if (dir->i_sb != inode->i_sb)
        return -EXDEV;

    if (IS_APPEND(inode) || IS_IMMUTABLE(inode))
        return -EPERM;

    /* 调用具体文件系统的link，如ext3_link() */
    if (!dir->i_op->link)
        return -EPERM;
    if (S_ISDIR(inode->i_mode))
        return -EPERM;

    error = security_inode_link(old_dentry, dir, new_dentry);
    if (error)
        return error;
    mutex_lock(&inode->i_mutex);
    error = dir->i_op->link(old_dentry, dir, new_dentry);
    mutex_unlock(&inode->i_mutex);
    if (!error)
        fsnotify_link(dir, inode, new_dentry);
     return error;
}

vfs_link()中主要完成一些参数检查的任务，最终调用的是具体文件系统的link实现，如ext3文件系统的ext3_link()。

static int ext3_link (struct dentry * old_dentry,
		       struct inode * dir, struct dentry *dentry)
{ 
   
    handle_t *handle;
    struct inode *inode = old_dentry->d_inode;
    int err, retries = 0;

    /* 如果文件上的链接数过多，返回Too many links错误 */
    if (inode->i_nlink >= EXT3_LINK_MAX)
        return -EMLINK;

    dquot_initialize(dir);

    if (inode->i_nlink == 0)
        return -ENOENT;
retry:
    handle = ext3_journal_start(dir, EXT3_DATA_TRANS_BLOCKS(dir->i_sb) +
					EXT3_INDEX_EXTRA_TRANS_BLOCKS);
    if (IS_ERR(handle))
        return PTR_ERR(handle);

    if (IS_DIRSYNC(dir))
        handle->h_sync = 1;

    inode->i_ctime = CURRENT_TIME_SEC;
    /* 将源文件inode上的链接数 + 1 */
    inc_nlink(inode);
    atomic_inc(&inode->i_count);

    /* 将链接文件的dentry写入到其父目录的数据块中 */
    err = ext3_add_entry(handle, dentry, inode);
    if (!err) { 
   
        ext3_mark_inode_dirty(handle, inode);
	d_instantiate(dentry, inode);
    } else { 
   
	drop_nlink(inode);
	iput(inode);
    }
    ext3_journal_stop(handle);
    if (err == -ENOSPC && ext3_should_retry_alloc(dir->i_sb, &retries))
        goto retry;
     return err;
}

在ext3_link()中完成链接的具体工作，抛开一些与日志相关的内容，我们可以看到主要调用了ext3_add_entry()来将链接文件的dentry添加到父目录的数据块中，与此同时也会将源文件的inode号记录在链接文件dentry中，这样便达到了源文件和链接文件有着不同的dentry结构，却共享inode的目的。

软链接实现

使用strace工具，可以发现建立硬链接调用的函数是symlink()。该函数的内核入口为SYSCALL_DEFINE2(symlink,...)，其实就是sys_symlink()。我们就从这个入口开始一步步跟踪内部实现原理。

SYSCALL_DEFINE2(symlink, const char __user *, oldname, const char __user *, newname)
{ 
   
    return sys_symlinkat(oldname, AT_FDCWD, newname);
}

sys_symlink()调用了函数sys_symlinkat(AT_FDCWD, oldname, AT_FDCWD, newname, 0)。

SYSCALL_DEFINE3(symlinkat, const char __user *, oldname,
 int, newdfd, const char __user *, newname)
{ 
   
    ......
    from = getname(oldname);
    if (IS_ERR(from))
        return PTR_ERR(from);

    /* 查找软链接父目录结构，存于nd之中 */
    error = user_path_parent(newdfd, newname, &nd, &to);
    if (error)
        goto out_putname;

    /* 在上面查找的父目录下创建软连接dentry，作为返回值 */
    dentry = lookup_create(&nd, 0);
    error = PTR_ERR(dentry);
    if (IS_ERR(dentry))
        goto out_unlock;

    error = mnt_want_write(nd.path.mnt);
    if (error)
        goto out_dput;
    error = security_path_symlink(&nd.path, dentry, from);
    if (error)
        goto out_drop_write;
 
    /* d_inode:链接文件父目录inode结构 * dentry:链接文件的dentry结构 * from:源文件名 */
    error = vfs_symlink(nd.path.dentry->d_inode, dentry, from);
    ......
    return error;
}

通过代码可以看到，其基本的函数调用流程和sys_linkat一模一样，只是最后调用的是vfs_symlinkat。而且，参数的意义稍有不同，可参见代码注释：

/* 建立软链接 * @dir:软连接父目录inode * @dentry:软连接的dentry * @oldname:源文件或目录的名字 */
int vfs_symlink(struct inode *dir, struct dentry *dentry, const char *oldname)
{ 
   
    int error = may_create(dir, dentry);
    if (error)
        return error;

    if (!dir->i_op->symlink)
        return -EPERM;

    error = security_inode_symlink(dir, dentry, oldname);
    if (error)
        return error;

    error = dir->i_op->symlink(dir, dentry, oldname);
    if (!error)
	fsnotify_create(dir, dentry);

    return error;
}

最终还是调用了具体文件系统的symlink函数，如ext3_symlink()。

//ext3建立软连接函数
//@dir:软连接的父目录的inode
//@dentry:软连接的dentry结构
//@symname:源文件名称
static int ext3_symlink (struct inode * dir,
		struct dentry *dentry, const char * symname)
{ 
   
    handle_t *handle;
    struct inode * inode;
    int l, err, retries = 0;
 
    l = strlen(symname)+1;
    if (l > dir->i_sb->s_blocksize)
        return -ENAMETOOLONG;
    dquot_initialize(dir);

retry:
    handle = ext3_journal_start(dir, EXT3_DATA_TRANS_BLOCKS(dir->i_sb) +
					EXT3_INDEX_EXTRA_TRANS_BLOCKS + 5 +
					EXT3_MAXQUOTAS_INIT_BLOCKS(dir->i_sb));

    if (IS_ERR(handle))
        return PTR_ERR(handle);

    if (IS_DIRSYNC(dir))
	handle->h_sync = 1;

    // 为软连接创建一个新的inode结构
    inode = ext3_new_inode (handle, dir, S_IFLNK|S_IRWXUGO);
    err = PTR_ERR(inode);
    if (IS_ERR(inode))
        goto out_stop;

    if (l > sizeof (EXT3_I(inode)->i_data)) { 
   
	inode->i_op = &ext3_symlink_inode_operations;
	ext3_set_aops(inode);
	err = __page_symlink(inode, symname, l, 1);
        if (err) { 
   
	  ......
	}
    } else { 
   
        /* 如果源文件名称不够长
         * 可直接将其保存在inode的i_data中
         */
	inode->i_op = &ext3_fast_symlink_inode_operations;
        memcpy((char*)&EXT3_I(inode)->i_data,symname,l);
        inode->i_size = l-1;
    }
    EXT3_I(inode)->i_disksize = inode->i_size;
    /* 将链接文件的inode和dentry关联并
     * 与其父目录建立关联
     */
    err = ext3_add_nondir(handle, dentry, inode);

out_stop:
    .....
}

分析ext3_symlink的实现，抛开日志等模块不谈，有以下几个关键步骤：

代码中会为链接文件创建一个inode结构，这在函数ext3_new_inode()中实现，这也是硬链接和软链接的最大不同；
链接文件的文件内容是源文件的文件名，而且，如果文件名不是很长（小于60字节），会将文件名直接保存在inode中，无需为其分配数据块；
最后会将链接文件的inode与dentry建立关联，并将链接文件的dentry写入到父目录的数据块中，调用的是函数ext3_add_nondir()。

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