Linux深入理解重定向inode详解与软硬链接的概念及区别

Posted 2022-03-14 蓝乐

进一步认识基础IO

• 再识重定向
• • 重定向基本命令
  • dup2系统调用接口
  • • 代码示例
  • 小结
• 理解文件系统
• • 磁盘（硬盘）背景
  • 文件元数据
  • 文件系统
• inode详细介绍
• • inode是一个文件的属性集合
  • • 目录的inode
• 软硬链接
• • 软链接介绍
  • 硬链接介绍

本文将进一步介绍重定向、文件系统、inode以及软硬链接的相关知识。

再识重定向

在之前我们已经知道了输出重定向的概念，即本来应该写入标准输出中的内容却被写入了其他文件中。常见的输出重定向有:>, >>其中>为“w”方式（覆盖）写入文件，而>>为"a"方式（追加）写入文件。输入重定向有：<

重定向基本命令

命令	介绍
command >file	把标准输出(stdout)重定向到 file 文件中
command 1>file	同上
command >>file	把 stdout 重定向到 file 文件中(追加)
command 1>>file	同上
command 2>file	把标准错误(stderr)重定向到 file 文件中
command 2>>file	把 stderr重定向到 file 文件中(追加)
cmd > file 2>&1	把 stdout 和 stderr 一起重定向到 file 文件中
cmd >> file 2>&1	把 stdout 和 stderr 一起重定向到 file 文件中(追加)
command <filename	以filename文件作为标准输入
command 0<filename	同上
command <<delimiter	从标准输入中读入，直到遇到delimiter分隔符
command < file >file2	command命令以 file 文件作为标准输入(stdin)，以 file2文件作为stdout
cat <>file	以读写的方式打开 file

输出重定向中，符号的左边表示文件描述符，如果没有的话表示1，也就是标准输出，符号的右边可以是一个文件，也可以是一个输出设备。当使用>时，会判断右边的文件存不存在，如果存在的话就先删除，然后创建一个新的文件，不存在的话则直接创建。但是当使用>>进行追加时，则不会删除原来已经存在的文件。
输入重定向要简单一些，如果符号左边没有写值，那么默认就是0。

dup2系统调用接口

函数原型：

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2函数接口的作用是让newfd成为oldfd的一份拷贝，这里的拷贝不是拷贝fd，而是拷贝fd所对应的数组中的内容。

代码示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main()

//  int fd = open("test.txt", O_WRONLY|O_CREAT, 0644);
//  dup2(fd, 1);//让1号文件描述符对应的数组内容成为fd所对应的数组的拷贝
//  const char* msg = "hello world\\n";
//  write(1, msg, strlen(msg));
  int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
  dup2(fd, 0);//输入重定向
  char buf[1024];
  ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
  if(s > 0)
  
    buf[s] = '\\0';
    printf("buf:%s\\n", buf);
  
  close(fd);
  return 0;

小结

1.进程替换时是否会影响重定向数据结构数据？
不会，因为进程替换是内存中的代码和数据进行写时拷贝，而重定向的数据是在操作系统内维护的，二者之间互不干扰。

2.打开的文件&普通的未打开的文件

文件不论是否被打开都需要被管理起来，而操作系统OS就是将文件系统管理起来的管理者。
进程&程序
打开的文件对应于进程，而未被打开的文件对应于程序，我们知道进程是正在运行的程序，同样程序要运行起来也要被加载到内存中。

理解文件系统

磁盘（硬盘）背景

机械硬盘即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。
磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。

因此，我们可以将磁盘空间，想象成线性结构，而磁盘的盘面上就保存着相关的数据。
那么如果我们对磁盘进行分区的话，比如一个硬盘存储大小为500GB：

文件元数据

我们在使用ls - l指令的时候可以看到文件的详细信息：

每行包含7列信息：模式（权限）、硬链接数、文件所有者、组、大小、最后修改时间以及文件名。
ls -l读取存储在磁盘上的文件信息，然后显示出来。

其实这个信息除了通过这种方式来读取，还有一个stat命令能够看到更多信息：

上面的信息中我们有几点需要解释，其中关于inode需要详细介绍。为了能解释清楚inode我们先简单了解一下文件系统。

文件系统

Linux下支持多种文件系统：Ext2、Ext3、fs、usb-fs、sysfs、proc等等。
下图为Linux ext2文件系统下磁盘文件系统图（内核内存映像肯定有所不同）：

磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b选项可以设定block大小为1024、2048或4096字节。上图中启动块（Boot Block）的大小是确定的。

• Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。
• 超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了
• GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息
• 块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用
• inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用
• i节点表（inode Table）:存放文件属性 如 文件大小，所有者，最近修改时间等
• 数据区（Data Blocks）：存放文件内容

inode详细介绍

查看文件的inode信息的指令：

ls -i 文件名

首先，我们要明确一下几点：

1. 基本上，一个文件对应于一个inode（包括目录）
2. inode是一个文件所有属性的集合
3. 真正标识文件的不是文件名，而是文件的inode编号
4. inode是可以和特定的数据块产生关联的
   

inode是一个文件的属性集合

对于文件的属性集合，之前文件中我们介绍过struct file,但inode与之有所不同，struct file偏向于文件的操作方法（读写等），inode则是存放文件信息的。

目录的inode

既然文件有唯一标识自己的inode，那么目录呢？
其实目录也有自己唯一的inode，同样也标识着存放信息的数据块。目录自己的数据块存放着其下的文件与对应iinode的映射关系等等信息。同样程序员如何定位一个文件呢？是通过路径，而路径也存放在目录的对应数据中。

• 由此可以得出结论：Linux下文件的属性和数据是分离的，属性由inode结点保存，而内容由data block保存。

将属性和数据分开存放的想法看起来很简单，但实际上是如何工作的呢？我们通过touch一个新文件来看看如何工作：

[lyl@VM-4-3-centos 2022-3-11]$ touch math
[lyl@VM-4-3-centos 2022-3-11]$ ls -i math
790790 math

创建一个新文件主要有一下4个操作：

• 1. 存储属性
     内核先找到一个空闲的inode节点（这里是790790）。内核把文件信息记录到其中。

2. 存储数据
   该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：300,500，800。将内核缓冲区的第一块数据复制到300，下一块复制到500，以此类推。
3. 记录分配情况
   文件内容按顺序300,500,800存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。
4. 添加文件名到目录
   新的文件名math，linux如何在当前的目录中记录这个文件？内核将入口（790790，math）添加到目录文件。文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。

软硬链接

软链接介绍

创建软链接的指令：

ln -s filename（要链接的文件） softlink（生成的软链接）

从图中可以看到，软链接就是一个普通文件，有其独立的inode。

其实软链接与其链接的文件同等效用，这就有点类似windows系统下的快捷方式：快捷方式中存放的是对应文件的路径

硬链接介绍

创建硬链接的指令就是创建软链接指令中去掉-s：

ln filename（要链接的文件） hardlink（生成的硬链接）

可以看到，硬链接与其链接的文件属性信息即inode完全一样。而我们已经知道：真正找到磁盘上文件的并不是文件名，而是inode。这里我们可以看到，在linux中可以让多个文件名对应于同一个inode。所以我们可以这样理解，创建硬链接就像在给文件取别名，类似于C++中的引用。
此时可以看到file.txt的硬链接数从1变成了2。由此我们可以得出结论：我们在rm删除文件时干了两件事情：1.在目录中将对应的记录删除，2.将硬链接数-1，如果为0，则将对应的磁盘释放。
既然硬链接只是文件的别名，那么硬链接有什么用呢？
我们创建一个普通文件，然后创建一个目录，再来看看文件信息：

可以看到，创建的普通文件默认的硬链接数为1，而创建的目录文件默认的硬链接数为2，这是为什么呢？这时就要联系到目录下默认隐藏的两个文件：.（当前目录）以及…（上级目录）。而再direc目录下的.隐藏文件就是该目录的硬链接。

这便是硬链接的作用之一，可以避免使用对应目录时经常需要写明相应路径。