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文章代表作者个人观点,少数派仅对标题和排版略作修改。


本文主要介绍 Windows 系统下的符号链接(Symbolic Link)和硬链接(Hard Link)的原理,特性以及它们在日常工作生活中应用。

这两类链接直接由文件系统实现和支持,各类软件无需适配即可使用。学会使用这两种链接,我们就可以:

  • 用云盘保存那些不方便改变位置的文件
  • 使用完全不同的路径编辑同一个文件
  • 实现更省空间的增量备份

初识符号链接与硬链接

如果你对这两个名字感到陌生,那么可以打开你的系统盘,在根目录使用 Shift + 右键的方式进入 PowerShell,键入 dir -force 来列出所有的文件和文件夹。其中一定会有名为 Documents and Settings 的文件夹,在名称后面有一个箭头指向了 C:\Users。该文件夹的作用是:当应用想要访问 C:\Documents and Settings 这个路径时,系统会自动将它引导到 C:\Users,应用可以用 Documents and Settings 这个目录名访问 Users 下的任何内容。

这是微软为了保证 Windows Vista 以前的应用仍然能够正确安装在 Windows 10 上所做的设计,此文件夹正类似1于符号链接。

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硬链接就没这么麻烦,因为文件管理器上的几乎所有文件都可以被看作是硬链接。不信的话可以在终端中使用系统内置的硬链接查询命令:fsutil hardlink list [文件路径]。它会列出一个文件对应的所有的硬链接路径,该工具一定会给出的此文件本身的路径。

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和这两类链接见了面之后,我们还要重新认识一下「文件」。

在一台 Windows 电脑中,硬盘被分割为卷用以保存数据,在每一个卷上,数据对象被 NTFS 文件系统赋予了独一无二的文件 ID 以及与之对应的文件路径,文件路径和文件 ID 对应,文件 ID 和数据对象绑定,最终才呈现为可供用户打开、编辑的文件。

因此可以说,我们所看到的文件并非数据本身,而是由文件路径指向数据对象的链接。

本文的主角,符号链接和硬链接正和这种数据的组织方式息息相关。

符号链接的原理和特性

前面说道,文件是数据对象和文件路径的链接,符号链接则是将自己链接到一个目标文件或目录的路径上。当系统识别到符号链接时,它会跳转到符号链接所指向的目标中去,而不改变此时的文件路径。

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举例来说,有一个名为 source 的文件夹。在桌面使用管理员权限打开 PowerShell,输入 New-Item Symlink -ItemType SymbolicLink -Target C:\...\source 为 source 文件夹创建名为 Symlink 的符号链接。然后打开此新建的文件夹,可以发现虽然路径是 Desktop\Symlink,但无论是内部的目录结构还是文件内容,都和 source 文件夹一模一样。

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符号链接像一个虫洞:当用户或应用要访问此虫洞时,就会被传送到符号链接所指向的地方,但他们是通过虫洞访问此目标的,所以其路径仍是虫洞自己的路径,这是它和快捷方式在效果上的区别所在。

更进一步说,符号链接的名称或者后缀丝毫不会影响到其目标。如果有一个图片 cats.jpg,我为它创建一个叫做 cats.docx 的符号链接,双击 cats.docx 时,仍然会出现一个图片。

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符号链接具有下面的特性:

  • 只需要一个路径。创建时,它的目标可以是本地的、远程的任何文件或目录,即使目标不存在。
  • 所做的一切更改都会反映在目标上。因为打开符号链接,就是打开了目标。复制符号链接,会复制目标的内容;移动符号链接,则会移动链接本身。
  • 更改目标的名称,移动目标的位置,符号链接将会成为死链,因为它无法通过设定的路径找到目标;更改符号链接本身的名称和位置,目标不受影响。
  • 当目标被删除时,符号链接继续存在,但会成为死链,无法打开。当符号链接被删除时,它指向的目标不受影响。

硬链接的原理和特性

硬链接和符号链接的原理完全不同,符号链接是指向目标路径的链接,而硬链接则是指向目标数据对象的链接。因为一个卷中的数据对象都有一个独一无二文件 ID,也可以说硬链接是指向目标文件 ID 的链接。

不难发现,硬链接和前面对文件的定义是一样的,原因在于,同一个文件 ID 可以对应很多2不同的文件路径。这些不同的文件都可以被称为3硬链接。这也是为什么在第一节中说「文件管理器上的几乎所有文件都可以被称为硬链接」。

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这里之所以引入文件 ID 的概念,是因为通过它我们可以直观看到文件所指的数据是否改变。以桌面上的 Demo.txt 为例,使用 fsutil file queryFileID Demo.txt 可以查看到它对应的文件 ID 为 ...3d321。当我们用复制粘贴的方式为此文件创建一个副本 Demo - Copy.txt 时,通过 ID ...5d78c 可知我们实际上创建了另一个数据。

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下面,在 PowerShell 中使用 New-Item Hardlink.txt -ItemType HardLink -Target C:\...\Demo.txt 给 Demo.txt 创建一个叫做 Hardlink.txt 的硬链接。同样用 fsutil file queryFileID Hardlink.txt 得到 Hardlink.txt 的文件 ID 为 ...3d321,这和 Demo.txt 是一样的,说明两者都指向同一个数据对象。

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因为他们数据是相通的,这两个文本所有属性都相同,更改其中一个文件的内容,另一个也会随之变化。

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由于不同的文件指向的是同样的数据,所以无论给同一个文件创建多少个硬链接,他们占整个卷的数据大小都是一样的。下图中,当 C 盘只有一个大小为 4 G 的 ISO 文件时,剩余大小为 373 GB;我为此 ISO 创建了另外 4 个 硬链接之后,卷的剩余大小并不因此而变化,尽管属性界面显示他们为 20 GB。

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硬链接可以看作是一个既有文件的别名,它具有下面的特性:

  • 创建时,它必须指向本地的同一个卷内存在的文件4,在 C 盘创建硬链接只能指向 C 盘存在的文件。因为只有在同一个卷内,文件 ID 才是独一无二的,且没人能在这个卷内编辑另一个卷的数据。不存在的文件没有文件 ID。
  • 打开硬链接,所做的一切更改都会反映在目标文件上。因为目标文件也链接着被更改的数据。
  • 更改目标文件的名称、位置,硬链接不会受到影响。更改硬链接的名称、位置,目标文件不受影响,链接不会断开。因为改名,移动都不会改变文件 ID。
  • 当目标被删除时,硬链接继续存在,且可以正常打开、编辑。因为他具备一个完整的文件结构。当硬链接被删除时,目标文件继续存在,不受影响。只有当一个文件 ID 对应的所有硬链接被删除时,数据才真正被标记为删除。

使用命令行或 Link Shell Extension 创建两种链接

新建符号链接和硬链接不像普通文件那样容易。第二、三节已经展示了使用 PowerShell 命令的方式来创建二者:

New-Item [链接名称] -Itemtype SymbolicLink/HardLink -Target [目标绝对路径]

新建符号链接始终需要管理员权限,-target后面一般说来需要填写绝对路径才能被识别。命令行创建的方式往往在脚本中更方便,对于普通用户而言,则有更简单、可视化的软件供选择。

Link Shell Extension 就是一个功能十分强大的符号链接、硬链接(以及没提到的目录链接)的新建和管理工具。使用 choco install linkshellextension -y 或者进入软件 官网,下载安装包并打开。安装完成后,我们便能够使用鼠标中键或者右键来简单地创建链接。

打开文件管理器,选中作为目标的文件或者文件夹,按住鼠标中键,然后将它拖到想要创建链接的目标文件夹处,松开鼠标,就会弹出创建链接的快捷菜单,选择需要的选项即可创建完成。

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另一种创建的方法是,选中一个文件或目录后,右键,点击 Pick Link Source,将其选择为目标。然后在另一个文件夹的空白处右键,在 Drop as 的子菜单中,选择需要创建的链接类型。

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Link Shell Extension 自动为创建的链接添加特殊的标识,并且为其文件属性添加了诸如引用计数、符号链接目标等实用选项卡。

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用例一:使用 OneDrive 实时保存微信重要文件

Windows 中有许多虽然关键但难以移动位置的文件夹,要想使用 OneDrive 等云盘保存他们,往往只能另外复制一份,但这又面临着源文件更新的问题。

举例来说,Windows 版微信会在文档中创建 WeChat Files 文件夹,其中有一个 File 目录包含了聊天中的已下载的各类文件,这个文件夹正是既重要又不太方便移动。

而符号链接可以让任何文件夹以任何名称出现在另一个地方,我们为此文件夹在 OneDrive 内创建一个符号链接,OneDrive 访问此链接时会被引导到微信的 File 文件夹内,其中的内容就会被全部上传到云端。

整个实现的过程也非常简单:打开微信的 File 文件夹和 OneDrive 云盘本地文件夹,使用 Link Shell Extension 拖动创建一个符号链接,完成!

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这样做了之后,在本地打开 File 符号链接时,会展现微信文件夹中的数据。而在 OneDrive 云端上,Files 则被视作一个正常的文件夹。还可以用类似的方法备份 QQ 的接收文件夹,Windows Appdata 中的一些设置文件等等。需要注意的是,当目标文件删除或消失时,OneDrive 也删除你的备份。

我们还可以考虑将上面的过程反过来!将目标文件或目录放在 OneDrive 中,在需要的程序文件夹中创建符号链接。在上面的例子中,即在 OneDrive 中放一个 File 文件夹,把微信中的 File 数据移动到此文件夹中,然后在微信的 FileStorage 中创建以 OneDrive 的 File 为目标的符号链接。

这种做法好处是:程序卸载时只要提前将符号链接删除,就不必担心重要的文件会被卸载程序清除掉。

用例二:Hexo 和 Obsidian 文章实时同步

Hexo 是一个静态博客生成工具,Obsidian 则是一个本地笔记管理工具,这两个工具的库我都使用 Git 做版本管理。

因为博客文章常常就是笔记中的文章,所以正常情况下,我需要将笔记中写好的 Markdown 复制粘贴到 Hexo 的博客目录下,然后再发布。一份文本此时被分成了两个数据,一旦需要更改,还得在两边分别编辑。

既然这两个工具会使用到同一份文本,为什么不能使用硬链接将他们共同的 Markdown 连接在一起呢?

需要做的工作是,在为 Hexo 创建文章时,同时在 Obsidian 的笔记目录下创建这个文章的硬链接。由于两者数据相通,在 Obsidian 处的编辑会自动同步到 Hexo 端。示例脚本 New-Blog.ps1 如下:

## 计数作为文件名
$count = [System.IO.Directory]::GetFiles("$home\Hexo\source\_posts").Count
## 提前写入 Markdown 的 yaml 头
$date = Get-Date -Format "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"
$yaml = "---" + "`ntitle: $count" + "`ndate: '$date'" + "`nupdated: '$date'" + "`ncategories: []" + "`ntags: [blog]" + "`ndescription:" +"`n`n---"
## 在 Hexo 中创建文件
Write-Output $yaml | Out-File $home\Hexo\source\_posts\$count.md
## 在 Obsidian 中创建硬链接
New-Item $home\Note\$count.md -Type HardLink -Target $home\Hexo\source\_posts\$count.md
## 退出
exit

配合几行简单的 AHK 脚本:

#!N::
run, "%USERPROFILE%\Program\New-Blog.ps1",,hide
return

当按下 Win + Alt + N 时,就会静默运行脚本,同时新建博客和笔记。重命名和移动文件都不会改变文件 ID,因此,只要不删除,无论在 Obsidian 上怎么折腾都不会影响两者的同步关系。如果我不满意某篇博客,在 Hexo 删除了它,那么文本在 Obsidian 那里仍然留存。

在此例中,可能有人会问「为什么不用符号链接?」主要原因是 Obsidian 目前似乎有意5忽略掉笔记库的符号链接。另外,本例中的 Markdown 文件也比较适合使用硬链接。作为对比,Word 文档在编辑保存时原文件会被删除,替代以新文件,文件 ID 会改变,而这将导致链接失效。

其他复杂的文件格式或特殊的编辑器可能也有类似的情况。

用例三:DeLorean Copy 实现增量备份

创建硬链接相当于创建文件的别名,正如我在第三节演示的那样,它可以实现在不增加体积的情况下创建文件的副本,这个特性让它非常适合用来备份文件。事实上,macOS 的时间机器功能正是使用了硬链接。

而对于 Windows 用户而言,通过 Link Shell Extension 自带的 DeLorean Copy 功能即可实现增量备份和版本回溯。

简单来说,在第一次备份完毕后,假如该文件夹发生了更改,DeLorean Copy 会自动分析更改后的文件夹和前一次备份的文件夹的区别,相同的文件会被创建硬链接,新的文件会被复制,删除的文件则会被丢弃,由此就形成了第二个备份。 当然,这都由程序自动完成,用户需要做的只是选择需要备份的文件夹,中键拖放,选择 DeLorean Copy。

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如果想要为这个增量备份创建自动任务,则可以使用 ln.exe 这个由同开发者开发的命令行程序,将 ln --delorean 作为命令写入脚本,再参考 Windows 本地自动化工具,任务计划程序应用举例 一文设置任务计划程序即可。

小结

本文以 Windows 为例介绍符号链接和硬链接的原理及应用,但这两类链接不只用于 Windows,它们在不同的操作系统上都有着广泛的支持。虽然实现的原理可能不太相同,但在应用层面也许有一些共通之处。

希望本文能够给你以启发。

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