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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