奇伢责编

欧阳姝黎

概述

细心的小伙伴看到我给“拷贝”打上了双引号？因为Linux的这3个命令有极大的区别，虽然用户看起来是拷贝出了新文件。

你是否曾经遇到过以下问题，想通原因了吗？：

本篇文章看完，希望你以上问题不再有疑问，从容使用ln，mv，cp命令。

温馨提示：

我们来看下简单的3个命令操作。首先在执行以下命令之前，准备一个不小的tst的普通文件（比如1G）。

"拷贝"命令一：ln

#创建一个软链接文件ln-s./tst./tst_soft_link#创建一个硬连接文件ln./tst./tst_hard_link

你会发现当前目录出现了两个新文件tst_soft_link，tst_hard_link。并且你会发现拷贝速度好快？为什么呢？

"拷贝"命令二：mv

把tst文件"拷贝"到./backup/目录

mv./tst./backup/

更神奇的是，好像copy一个1G的文件，速度也贼快？

“拷贝”命令三：cp

把tst文件"拷贝"到./backup/目录

cp./tst./backup/

上面我们看到，好像ln，mv，cp这3个命令都是“拷贝”？好像都进行了数据复制出了新的文件？

答案：当然不是。这3个看起来都是复制出了新文件，但其实天壤之别。我们一个个来揭秘。

在揭秘这3个命令之前，我们必须先复习文件的基础知识点，Linux的文件和目录的关系。

Linux的文件和目录

在深度剖析Linuxcp的秘密一文中，我们详细剖析了文件系统的形态。有几个关键知识点：

关于上面，我们注意到inod其实标识的是一个平坦的结构，inod索引到数据data区域，每个inod都有唯一编号。

问题来了：Linux的目录是一个倒挂的树形结构呀，为什么上面说inod是平坦的结构？如下：

Linux的文件确实是树形结构，inod也确实是平坦的结构。你会感觉到因为是因为之前故意忽略了一个几个东西：目录文件和dntry项。这是两个非常重要的概念，我们逐个解释下。

文件系统中其实有两种文件类型，分为：

可以通过inod-i_mod字段，使用S_ISREG，S_ISDIR这两个宏来判断是哪个类型。普通文件很容易理解，就是普通的数据文件，inod里面存储元数据，inod可以索引到block，block里面存储用户的数据。目录文件inod存储元数据，block里面存储的是目录条目。目录条目是什么样子的东西？

举个形象的例子：在当前tstdir目录下，有dir1，dir，dir3这三个文件。假设dir1的inod编号是，dir是，dir3是。

那么现实是这样的：

所以，目录到底是什么呢？就存储形态而已，目录也是文件，存储的是名字到inodnumbr的映射表。dirnt其实就是dirctoryntry的缩写。

好像还没讲到树形结构？

其实已经讲了一半了，树形结构的数据结构基础已经有了，就是目录文件和dirnt的实现。

假设叶子结点的为普通文件

针对开篇的图，其实磁盘上存储了3个目录文件

这个时候，读者朋友你是不是都可以用笔画出一个树形结构了，内存的树形结构也是这么来的。通过磁盘的映射数据构造出来。在内存中，这个树形结构的节点用dntry来表示（通常翻译成目录项，但是笔者认为这个翻译很容易让人误解）。

以下是笔者从内核精简出来的dntry结构体，通过这个总结到几个信息：

structdntry{//...structdntry*d_parnt;/*父节点*/structqstrd_nam;//名字structinod*d_inod;//inod结构体structlist_hadd_child;/*兄弟节点*/structlist_hadd_subdirs;/*子节点*/};

所以，看到现在理解了吗？父、子指针，这就是经典的树形结构需要的字段呀。目录文件类型为树形结构提供了存储到磁盘持久化的一种形态，是一种map表项的形态，每一个表项我们叫做dirnt。文件树的结构在内存中以dntry结构体体现。

划重点：仔细理解下dirnt和dntry的概念和形态，仔细理解磁盘的数据形态和内存的数据结构形态，后面要考的。

ln命令

ln是Linux的基础命令之一，是link的缩写，顾名思义就是跟链接文件相关的一个命令。一般语法如下：

ln[OPTION]...TARGETLINK_NAME

ln可以用来创建一个链接文件，有趣的是，链接文件有两个不同的类别：

无论是软链接还是硬链接都是“链接”文件，也就是说，通过这个链接文件都能找到背后的那个“源文件”。首先说结论：

所以，你明白了吗？软链接文件就是一个文件而已，文件里面存储的是一个路径字符串。所以软链接文件可以非常灵活，链接文件本身和源解耦，只通过一段路径字符串寻路。

所以，软链接文件是可以跨文件系统创建的。

有兴趣的小伙伴可以去看源码实现，在corutils库里，调用栈如下：

main-do_link-forc_symlinkat-symlinkat

也就是说最终调用的是系统调用symlinkat来完成创建，而这个symlinkat系统调用在内核由不同的文件系统实现。举个例子，如果是minix文件系统，那么对应的函数就是minix_symlink。minix_symlink这个函数上来就是新建一个inod，然后在对应的目录文件中添加一个dirnt。来来来，我们看一眼minix_symlink的主干代码：

staticintminix_symlink(structinod*dir,structdntry*dntry,constchar*symnam){//...//新建一个inod，inod类型为S_IFLNK链接类型inod=minix_nw_inod(dir,S_IFLNK

,rr);if(!inod)gotoout;//填充链接文件内容minix_st_inod(inod,0);rr=pag_symlink(inod,symnam,i);if(rr)gotoout_fail;//绑定dntry和inodrr=add_nondir(dntry,inod);//...}

划重点：软链接文件是新建了一个文件，文件类型是链接文件，文件内容就是一段字符串路径。分配新的inod，内存对应新的dntry，当然了，也新增了一个dirnt。软链文件可以跨越不同的文件系统。

现在我们知道了，软链接文件怎么找到源文件的？通过路径找到的，路径就存储在软链接文件中。硬链接文件又怎么办到的呢？

硬链接很神奇，硬链接其实是新建了一个dirnt而已。下面是重点：

重点来了，由于新旧两个dirnt都是指向同一个inod，那么就导致了一个限制：不能跨文件系统。因为，不同文件系统的inod管理都是独立的。

感兴趣的同学可以试下，跨文件系统创建硬链接就会报告如下错误：Invalidcross-dviclink

sh-4.4#ln/dv/shm/sourc.txt./dst.txtln:faildtocrathardlink./dst.txt=/dv/shm/sourc.txt:Invalidcross-dviclink

有兴趣的小伙伴可以去看源码实现，在corutils库里，调用栈如下：

main-do_link-forc_linkat-linkat

也就是说最终调用的是系统调用linkat来完成创建，而这个linkat系统调用在内核由不同的文件系统实现。举个例子，如果是minix文件系统，那么对应的函数就是minix_link。这个函数从内存上来讲是把一个dntry和inod关联起来。从磁盘数据结构上来讲，会在对应目录文件中增加一个dirnt项。

划重点：硬链接只增加了一个dirnt项，只修改了目录文件而已。不涉及到inod数量的变化。新的nam指向原来的inod。

mv命令

mv是mov的缩写，从效果上来看，是把源文件搬移到另一个位置。

你是否思考过mv命令内部是怎么实现的呢？

是把源文件拷贝到目标位置，然后删除源文件吗？所以，说mv貌似也是“拷贝”？

其实，并不是，准确的说不完全是。

对于mv的讨论，要拆分成源和目的文件是否在同一个文件系统。

mv命令的核心操作是系统调用rnam，rnam从内核实现来说只涉及到元数据的操作，只涉及到dirnt的增删（当然不同的文件系统可能略有不同，但是大致如是）。通常操作是删除源文件所在目录文件中的dirnt，在目标目录文件中添加一个新的dirnt项。

划重点：inodnumbr不变，inod不变，不增不减，还是原来的inod结构体，所以数据完全没有拷贝。

mv的调用栈如下，感兴趣的可以自己调试。

main-rnamatmain-movfil-do_mov-copy-copy_intrnal-rnamat

我们用例子来直观看下，首先准备好一个sourc.txt文件，用stat命令看下元数据信息：

sh-4.4#statsourc.txtFil:sourc.txtSiz:0Blocks:0IOBlock:rgularmptyfilDvic:78h/10dInod:Links:1Accss:(/-rw-r--r--)Uid:(0/root)Gid:(0/root)

我们看到inod编号是：。然后执行mv命令：

sh-4.4#mvsourc.txtdst.txt

然后stat看下dst.txt文件的信息：

sh-4.4#statdst.txtFil:dst.txtSiz:0Blocks:0IOBlock:rgularmptyfilDvic:78h/10dInod:Links:1Accss:(/-rw-r--r--)Uid:(0/root)Gid:(0/root)

发现没？inod编号还是。

还记得之前我们提过，由于硬链接是直接在目录文件中添加一个dirnt，名字直接指向源文件的inod，不同文件系统都是独立的一套inod管理系统，所以硬链接不能跨文件系统。

那么问题来了，mv遇到跨文件系统的场景呢，怎么处理？是否还是rnam？

举个例子，如下命令，源和目的是不同的文件系统。我虚拟机的挂载点如下：

sh-4.4#df-hFilsystmSizUsdAvailUs%Mountdonovrlay59G3.5G5G7%/tmpfs64MM0%/dvshm64MM0%/dv/shm

我故意挑选/hom/qiya/tstdir和/dv/shm/，这两个目录分别对应了"/"和"/dv/shm/"的挂载点的文件系统，分属两个不同的文件系统。我们先提前看下源文件的信息（主要是inod信息）：

sh-4.4#stat/dv/shm/sourc.txtFil:/dv/shm/sourc.txtSiz:0Blocks:0IOBlock:rgularmptyfilDvic:7fh/17dInod:Links:1Accss:(/-rw-r--r--)Uid:(0/root)Gid:(0/root)

我们执行以下mv命令：

sh-4.4#mv/dv/shm/sourc.txt/hom/qiya/tstdir/dst.txt

然后看下目的文件信息：

sh-4.4#statdst.txtFil:dst.txtSiz:0Blocks:0IOBlock:rgularmptyfilDvic:78h/10dInod:Links:1Accss:(/-rw-r--r--)Uid:(0/root)Gid:(0/root)

对比有没有发现，inod的信息是不一样的，inodnumbr是不一样的（是不是跟上面同一文件系统下的mv现象不一致）什么原因呢？我下面一一道来，从原理出剖析。

当系统调用rnam的时候，如果源和目的不在同一文件系统时，会报告EXDEV的错误码，提示该调用不能跨文件系统。

#dfinEXDEV18/*Cross-dviclink*/

所以，rnam是不能用于跨文件系统的，这个时候怎么办？

划重点：这个时候操作分成两步走，先copy，后rmov。

思考问题：mv跨文件系统的时候，如果第一步成功了，第二步失败了（比如没有删除权限）会怎么样？

会导致垃圾。也就是说，目标处创建了一个新文件，源文件并没有删除。这个小实验有兴趣的可以试下。

cp命令

cp命令才是真正的数据拷贝命令，即拷贝元数据，也会拷贝数据。cp命令也是我之前花了万字篇幅分析的命令，详细可见：深度剖析Linuxcp的秘密。这里就不再赘述，下面提炼出关于拷贝的3种模式。

涉及到数据拷贝的，关键有个--spars参数，可以控制拷贝数据的IO次数。

重点：跳过文件空洞。是cp默认的模式

cpsrc.txtdst.txtalways模式

重点：跳过文件空洞，还会跳过全0数据，是空间最省的模式。

cp--spars=alwayssrc.txtdst.txt

3nvr模式

重点：无脑拷贝，从头拷贝到尾，不识别物理空洞和全0数据，是速度最慢的一种模式。

cp--spars=nvrsrc.txtdst.txt复用之前画的这3张图，很形象的体现了cp的行为。

总结

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